Onderkoeling van water gecontroleerd door nanodeeltjes en ultrageluid
Abstract
Nanodeeltjes, waaronder Al2 O3 en SiO2 , en ultrageluid werden toegepast om de stollingseigenschappen van water te verbeteren. De effecten van nanodeeltjesconcentratie, contacthoek en ultrasone intensiteit op de onderkoelingsgraad van water werden onderzocht, evenals de dispersiestabiliteit van nanodeeltjes in water tijdens het stollen. Experimentele resultaten laten zien dat de onderkoelingsgraad van water wordt verminderd onder het gecombineerde effect van ultrageluid en nanodeeltjes. Bijgevolg neemt de vermindering van de onderkoelingsgraad toe met de toename van de ultrasone intensiteit en de nanodeeltjesconcentratie en de afname van de contacthoek van nanodeeltjes. Bovendien is de vermindering van de onderkoelingsgraad veroorzaakt door ultrageluid en nanodeeltjes samen niet groter dan de som van de onderkoelingsgraadverminderingen veroorzaakt door ultrageluid en nanodeeltjes afzonderlijk; de vermindering is zelfs kleiner dan die veroorzaakt door ultrageluid afzonderlijk onder bepaalde omstandigheden van gecontroleerde nanodeeltjesconcentratie en contacthoek en ultrasone intensiteit. De dispersiestabiliteit van nanodeeltjes tijdens het stollen kan alleen worden gehandhaafd wanneer de nanodeeltjes en ultrageluid samen een superieur effect hebben op het verminderen van de onderkoelingsgraad van water tot de enkele bewerking van ultrageluid. Anders verschijnt de aggregatie van nanodeeltjes in waterstolling, wat resulteert in falen. De relaties tussen de betekenisvolle nanodeeltjesconcentratie, contacthoek en ultrasone intensiteit, waarbij aan de vereisten van lage onderkoeling en hoge stabiliteit kon worden voldaan, werden verkregen. De controlemechanismen voor deze verschijnselen werden geanalyseerd.
Inleiding
De zoektocht naar nieuwe technologieën om de toenemende bezorgdheid over milieuproblemen, het dreigende energietekort en de hoge kosten van energie en nieuwe energiecentrales af te wenden, is de afgelopen drie decennia een wetenschappelijke zorg geweest. De grootste uitdaging is het gebrek aan opslag voor overtollige energie om te voorkomen dat deze wordt afgevoerd en om de kloof tussen energieopwekking en -verbruik te overbruggen. Latente warmte-warmteopslag is een bijzonder interessante techniek omdat het een hoge energieopslagdichtheid biedt [1]. Water is in de praktijk een van de meest gebruikte materialen voor latente warmteopslag. Het heeft een hoge volumetrische thermische opslagdichtheid vanwege de hoge latente warmte en thermische geleidbaarheid. Een van de grootste nadelen van water, zoals door veel onderzoekers is gemeld, is echter de onderkoeling die optreedt tijdens stollingsprocessen. Onderkoeling leidt tot lagere koeltemperaturen; zo zal de latente warmte bij lagere temperaturen vrijkomen. Hierdoor is er een groot temperatuurverschil tussen laden en ontladen nodig om de latente warmte volledig te benutten, wat ongewenst is voor efficiënte WKO-toepassingen [2]. Daarom is het vinden van methoden om de onderkoelingsgraad van water te verminderen van fundamenteel belang om de technologie voor de opslag van latente warmte thermische energie vooruit te helpen.
In het afgelopen decennium is het gebruik van nanodeeltjes als kiemvormende middelen de wijdverbreide en toonaangevende methode die onderzoekers hebben toegepast om de onderkoelingsgraden van water te beheersen. De veelgebruikte nanodeeltjes zijn metaal en metaaloxide, zoals TiO2 , Al2 O3 , Cu en CuO [3,4,5,6]. Deze nanodeeltjes zijn hydrofiel en kunnen de vorming van ijskernen vergemakkelijken door de Gibbs-vrije nucleatie-energie te verminderen. Andere hydrofobe nanodeeltjes, zoals koolstofnanobuisjes en grafeennanoplaatjes, zijn door sommige onderzoekers ook gebruikt als kiemvormers [7,8,9]. De vermindering van de onderkoelingsgraad van water wordt toegeschreven aan de hoge specifieke oppervlakten van nanodeeltjes, die meer nucleatieplaatsen kunnen bieden en de nucleatiewaarschijnlijkheid bij hoge temperaturen kunnen vergroten. Volgens de literatuur hebben verschillende nanodeeltjes verschillende nucleatie-effecten; bovendien kunnen nanodeeltjes met hoge specifieke oppervlakten de onderkoeling van water elimineren, terwijl die nanodeeltjes met hydrofiliciteit dat niet doen. Het toevoegen van een kleine hoeveelheid grafeen-nanoplaatjes (0,02 gew.%) kan bijvoorbeeld de onderkoeling van water elimineren [8], terwijl een reductie van slechts 70,9% in onderkoelingsgraad kan worden bereikt door TiO2 te gebruiken nanodeeltjes (1,0 gew.%) [4]. Het verhogen van het aantal vreemde kiemvormende plaatsen kan dus een betere methode zijn om de onderkoeling van water te beheersen, in vergelijking met het verbeteren van de hydrofiliciteit van kiemvormende middelen.
Het gebruik van nanodeeltjes met een hoog specifiek oppervlak en het verhogen van de concentratie van hydrofiele nanodeeltjes zijn twee veelgebruikte manieren om de nucleatieplaatsen voor waterstolling te vergroten. Het is echter buitengewoon moeilijk om de dispersie van nanodeeltjes met een hoog specifiek gebied in water in stand te houden, en nanodeeltjes hebben de neiging om spontaan samen te aggregeren om de vrije oppervlakte-energie te verminderen [10]. Een slechte dispersiestabiliteit van nanodeeltjes met hoge specifieke gebieden zal ernstige problemen veroorzaken bij hun toepassingen, zoals degradatie van thermische eigenschappen bij langdurige thermische cycli. Het aggregatieverschijnsel kan ook niet worden vermeden wanneer de nanodeeltjesconcentratie enigszins toeneemt [11]. Voor de metaal- en metaaloxidenanodeeltjes is de geschatte kritische concentratie ongeveer 1,0-2,0 gew.%. Daarom is het noodzakelijk om andere manieren te vinden om de effectieve locaties voor waterkiemvorming te vergroten.
Het toepassen van ultrageluid in de stolling is de afgelopen jaren een effectieve methode gebleken om de onderkoelingsgraad van water te verminderen [12]. Ultrageluid, wanneer het door een vloeibaar medium gaat, veroorzaakt mechanische trillingen van vloeistof. Als het vloeibare medium opgeloste gaskernen bevat, wat onder normale omstandigheden het geval zal zijn, kan het vloeibare medium door de werking van het ultrageluid worden gekweekt en samengevouwen. Het fenomeen van groei en ineenstorting van microbellen onder een ultrasoon veld staat bekend als "akoestische cavitatie" [13]. Algemeen wordt aangenomen dat de ijskiemvorming van water nauw verband houdt met akoestische cavitatie. Sommige onderzoekers zijn van mening dat de drukverandering die gepaard gaat met het instorten van cavitatiebellen de reden kan zijn voor het kiemvormende effect van ultrageluid [14,15,16,17,18,19,20], terwijl anderen geloven dat de verminderde onderkoelingsgraad van water kan te wijten zijn aan de voorziene cavitatiebeloppervlakken, die fungeren als vreemde nucleatieplaatsen [21,22,23]. Verder onderzoek is daarom nodig om de ultrasone gecontroleerde ijskiemvorming beter te begrijpen.
Onlangs hebben Liu et al. voerde experimenten uit op waterstolling beïnvloed door nanodeeltjes (d.w.z. grafeenoxide) en ultrageluid tegelijkertijd [24]. Ze ontdekten dat de onderkoelingsgraad van water significanter wordt verminderd onder het gecombineerde effect van nanodeeltjes en ultrageluid dan die veroorzaakt door nanodeeltjes of ultrageluid. Dit interessante fenomeen werd echter niet goed verklaard in hun onderzoek en werd over het algemeen toegeschreven aan het cavitatie-effect van echografie. Ons eerdere werk heeft aangetoond dat de introductie van TiO2 nanodeeltjes en ultrageluid in het stollingsproces kunnen de onderkoelingsgraad van water verminderen. Hoe hoger het ultrasoon vermogen, hoe lager de onderkoelingsgraad [25]. We ontdekten echter ook dat het bovengenoemde aggregatieprobleem optreedt bij het stollen van water, ondersteund door ultrageluid en TiO2 nanodeeltjes; dat wil zeggen, nanodeeltjes en bubbels hebben de neiging om weggeduwd te worden door het voortschrijdende ijs-water-interface en uiteindelijk clusteren ze samen in het midden van de container, vooral bij hoge ultrasone vermogens. Deze bevinding suggereert dat ultrasoon vermogen zorgvuldig moet worden ingesteld om tegelijkertijd de lage onderkoelingsgraad en goede stabiliteit van nanodeeltjes te bereiken. Tot op heden zijn er weinig studies gerapporteerd over het stollen van water met behulp van nanodeeltjes en ultrageluid. Daarom wordt het noodzakelijk geacht om gedetailleerd onderzoek uit te voeren om het gecombineerde effect van nanodeeltjes en ultrageluid te identificeren en op te helderen.
In de huidige studie, Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes, die hydrofiel zijn en gestaag in water kunnen worden gedispergeerd, werden aangenomen en ultrageluid werd geïntroduceerd in de stollingsprocessen van de twee waterige suspensies. De effecten van nanodeeltjesconcentratie en ultrasone intensiteit op de onderkoelingsgraad van water werden onderzocht. Deze studie is voornamelijk gericht op het identificeren van de rollen die de nanodeeltjes en ultrageluid kunnen spelen bij het stollen van water en het bepalen van de juiste nucleatiemethode en bijbehorende controleomstandigheden die tegelijkertijd kunnen voldoen aan de vereisten van een lage onderkoelingsgraad en een goede suspensiestabiliteit. Het kiemvormingsmechanisme met betrekking tot cavitatiebellen werd ook besproken om de manier te laten zien waarop nanodeeltjes en ultrageluid de stolling van water beïnvloeden.
Experimenteel
Hydrofiel Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes (Aladdin Chemical Reagent Co. Ltd., China) werden geselecteerd als de kiemvormende middelen in deze studie, op basis van hun sterke affiniteit voor water. De contacthoek tussen nanodeeltjes en water werd gemeten met behulp van een statische sessiele-druppelmethode met een contacthoekgoniometrie (DataPhysics OCA40 Micro, Duitsland). Voor elk nanodeeltje zijn vijf tests uitgevoerd en uit deze tests is een gemiddelde waarde verkregen. De contacthoekmetingen waren herhaalbaar binnen 1% van de gemiddelde waarden, en de gemeten resultaten zijn weergegeven in Fig. 1. Bij het bereiden van suspensies van nanodeeltjes werd gedeïoniseerd water gebruikt als de basisvloeistof met de pH ingesteld op 8 door natriumhydroxide van analytische kwaliteit , en er werd geen oppervlakteactieve stof gebruikt. Een ultrasone sonde (Sonics Vibra Cell, Ningbo Kesheng Ultrasonic Equipment Co. Ltd., China) met een uitgangsvermogen van 600 W en een voedingsfrequentie van 20 kHz werd toegepast om de nanodeeltjes gedurende 1 uur door trillingen in het gedeïoniseerde water te verspreiden. De nanodeeltjesconcentraties waren ingesteld op 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 en 1,0 gew.%.
een Zetapotentialen van de waterige suspensies van Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes. b Typisch TEM-beeld van de waterige suspensie van SiO2 nanodeeltjes
Een goed gedispergeerde waterige suspensie van nanodeeltjes kan worden verkregen met een hoge zeta-potentiaal om een sterke elektrostatische afstotende kracht te verkrijgen. Suspensies van nanodeeltjes met zeta-potentialen groter dan +-30 mV of groter dan 30 mV worden in de literatuur normaal als stabiel beschouwd [26]. Dus de zeta-potentialen van de waterige suspensies van Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes in verschillende concentraties werden gemeten met behulp van een Zetasizer Nano ZS deeltjesgrootte-analysator (Malvern Instruments Ltd., Engeland). De resultaten worden getoond in Fig. 1a. De metingen werden drie keer herhaald en de reproduceerbaarheid van gegevens viel binnen een fout van 1,5%. Alle suspensies van nanodeeltjes hebben een zeta-potentiaal hoger dan -30 mV, wat suggereert dat de Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes kunnen gestaag worden verspreid in het water. Een transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, JEM-100CXII, JEOL, Japan) werd verder gebruikt om de verdeling van nanodeeltjes in water te meten. Figuur 1b toont een typisch TEM-beeld van de waterige suspensie van SiO2 nanodeeltjes. Blijkbaar zijn de nanodeeltjes goed verdeeld. In deze studie werd de goede dispersiestabiliteit van de waterige suspensies van Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes kunnen vier dagen worden bewaard zonder tekenen van sedimentatie te vertonen.
Het experimentele apparaat voor het stollen van water, geholpen door nanodeeltjes en ultrageluid, wordt schematisch weergegeven in figuur 2a. De volgende apparaten zijn:een stollingssysteem bestaande uit een ontworpen koeltank en een lagetemperatuurthermostaat (CDC-1, Tianjin Huabei Refrigeration Technology Co. Ltd., China) gebruikt om monsters te bevriezen; een systeem voor het genereren van ultrageluid (een commercieel ultrasoon apparaat, Sonics Vibra-Cell-sonicator JY88-IIN, Ningbo Scientz Biotechnology Co. Ltd., China) dat wordt gebruikt om ultrasone velden te verschaffen; een observatiesysteem bestaande uit een temperatuurdatalogger (34970A, Agilent Technologies Co. Ltd., VS); en een computer die wordt gebruikt om het bevriezingsproces in realtime te volgen. Om de uniforme verdeling van ultrasone bestraling te garanderen, werd de ultrasone bron verticaal in het midden van de koeltank geplaatst en werd de glazen container gevuld met het vloeibare monster ongeveer 2 inch van de ultrasone bron en evenwijdig eraan geplaatst.
een Schema van het experimentele apparaat:(1) thermostatisch bad, (2) ultrasoon apparaat, (3) temperatuurdatalogger en (4) computer. b Typisch temperatuurprofiel van waterstolling:T F , vriestemperatuur; T N , kiemvormingstemperatuur; en ΔT , onderkoelingsgraad (verschil tussen T F en T N )
In de experimenten werden de watermonsters gemengd met en zonder nanodeeltjes met een volume van ongeveer 20 ml gekoeld tot -20 °C onder verschillende ultrasone intensiteiten variërend van 0,14 tot 1,27 W cm −2 . De duty-cycle van ultrasone bestraling was ingesteld op 80%, wat neerkomt op 8 s aan-2 s uit. De ultrasone verwerking begon terwijl de monstertemperatuur afkoelde tot 0 ° C en eindigde zodra ijskiemvorming in het vloeibare monster optrad. De verwerkingstijd van de echografie was erg kort, minder dan 2 min. De verandering in de afkoelsnelheid van het vloeistofmonster als gevolg van de door ultrageluid gegenereerde warmte was in zo'n korte tijd verwaarloosbaar. Afbeelding 2b toont een typisch temperatuurprofiel bij stollen. Het stollingsproces kan worden onderverdeeld in drie opeenvolgende fasen, namelijk vloeistofkoeling, faseovergang en bevriezing van vaste stoffen. In de vloeistofkoelfase wordt voelbare warmte verwijderd uit het monster in vloeibare toestand en wordt de temperatuur ervan verlaagd. Na het bereiken van het vriespunt wordt de faseovergang meestal niet onmiddellijk geactiveerd, maar gaat de koeling door. Daarom blijft het monster aan het einde van de voorkoelfase niet bevroren onder het vriespunt; dat wil zeggen, het monster wordt onderkoeld. Na een zekere mate van onderkoeling treedt plotseling ijskiemvorming op. Daarna ondergaat het monster de faseovergang. In deze studie werd een koper-constantaan T-type thermokoppel met een nauwkeurigheid van ± 0,2 ° C gebruikt om de temperatuur te meten. Het stollingsexperiment onder identieke omstandigheden werd ten minste 15 keer herhaald om het gemiddelde van de experimentele gegevens te berekenen. De afwijkingen van de gemiddelde waarde waren ± 1,5%.
Bij de analyse van de door nanodeeltjes en ultrageluid geïnduceerde waterstolling werden de toestanden van de cavitatiebellen bij verschillende nanodeeltjesconcentraties en ultrasone intensiteiten gemeten met behulp van een capillaire methode [27]. De capillaire methode omvat de bevestiging van een capillair dat de verandering in volume kan meten die optreedt als gevolg van de vorming van grote inactieve bellen gevormd door samensmelting tussen cavitatiebellen. De absorptiewaarden van de waterige suspensie van nanodeeltjes voor en na de stollings-/smeltcyclus werden ook gemeten met een UV-vis-spectrofotometer (UV9000S, Shanghai Precision &Scientific Instrument Co., Ltd., China) om de dispersiestabiliteit van vreemde nanodeeltjes te analyseren in water tijdens het stollen. Voor elk monster werden vijf tests uitgevoerd om de betrouwbaarheid van de experimentele resultaten te garanderen.
Resultaten en discussie
Onderkoelingsgraad van water afzonderlijk geregeld door nanodeeltjes en ultrageluid
De verhoudingen van onderkoelingsgraad die nodig zijn voor het stollen van water met nanodeeltjes tot die zonder nanodeeltjes (R 1 = ΔT N /ΔT W ) bij verschillende nanodeeltjesconcentraties worden getoond in Fig. 3. De gemeten onderkoelingsgraad van zuiver water (ΔT W ) is ongeveer 11,6 °C. De onderkoelingsgraadverhouding R 1 is < 1 en neemt af met de toename van de nanodeeltjesconcentratie, wat aangeeft dat de Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes kunnen zoals verwacht de ijskiemvorming van water bevorderen. De Al2 O3 nanodeeltjes hebben blijkbaar een sterker kiemvormend effect vanwege de kleinere contacthoek in vergelijking met de SiO2 nanodeeltjes. Zo wordt een vermindering van 28,3% van de onderkoelingsgraad van water verkregen door 0,6 gew.% SiO2 toe te voegen. nanodeeltjes, terwijl bij dezelfde concentratie de Al2 O3 nanodeeltjes kunnen de onderkoelingsgraad van water met 37,4% verminderen. Het verzwakte kiemvormende effect van SiO2 nanodeeltjes veroorzaakt door een grote contacthoek kunnen worden gecompenseerd door de nanodeeltjesconcentratie te verhogen. Zoals weergegeven in Fig. 1 kan een vermindering van de onderkoelingsgraad met 37,1% ook worden bereikt door de concentratie van SiO2 te verhogen nanodeeltjes tot 0,8 gew.%. Figuur 1 toont ook het effect van ultrageluid op de onderkoelingsgraad van water. De verhouding van onderkoelingsgraad die nodig is voor het stollen van water met ultrageluid tot dat zonder ultrageluid (R 2 = ΔT U /ΔT W ) is <-1, wat suggereert dat de cavitatiebellen die door ultrageluid worden gegenereerd, kunnen werken als kiemvormende middelen om de ijskiemvorming van water te bevorderen. Dit kiemvormende effect van ultrageluid kan worden versterkt door de ultrasone intensiteit te verhogen. In dit onderzoek kan een reductie van 83,1% in de onderkoelingsgraad van water worden verkregen bij een ultrasone intensiteit van 1,27 W cm −2 .
Effecten van ultrageluid en nanodeeltjes op de onderkoelingsgraad van water. ΔT U /ΔT W geeft de verhouding weer van de mate van onderkoeling die nodig is voor het stollen van water met ultrageluid tot dat zonder ultrageluid. ΔT N /ΔT W geeft de verhouding weer van de onderkoelingsgraad die nodig is voor het stollen van water met nanodeeltjes tot dat zonder nanodeeltjes
Onderkoelingsgraad van water gecontroleerd door nanodeeltjes en ultrageluid wederzijds
Figuur 4 toont het gecombineerde effect van nanodeeltjes en ultrageluid op de onderkoelingsgraad van water. De verhouding van de onderkoelingsgraad die nodig is voor de stolling van water met nanodeeltjes en ultrageluid tot die zonder nanodeeltjes en ultrageluid (R 3 = ΔT N-U /ΔT W ) is <-1, wat aangeeft dat het wederzijds gebruik van nanodeeltjes en ultrageluid de ijskiemvorming van water bij stolling kan bevorderen. Dit kiemvormende effect van nanodeeltjes en ultrageluid hangt nauw samen met de nanodeeltjesconcentratie en de ultrasone intensiteit. Zo kan een vermindering van 63,7% van de onderkoelingsgraad van water worden verkregen bij de Al2 O3 nanodeeltjesconcentratie van 0,2 gew.% wanneer de ultrasone intensiteit toeneemt van 0,14 tot 1,27 W cm −2 . Bij een ultrasone intensiteit van 1,27 W cm −2 kan een vermindering van 58,1% van de onderkoelingsgraad van water worden bereikt wanneer de Al2 O3 nanodeeltjesconcentratie neemt toe van 0,2 tot 1,0 gew.%. De contacthoek van nanodeeltjes is ook een belangrijke factor die het gecombineerde effect van ultrageluid en nanodeeltjes beïnvloedt. De gecontroleerde onderkoelingsgraden van water door Al2 O3 nanodeeltjes zijn blijkbaar lager in vergelijking met die gecontroleerd door SiO2 nanodeeltjes bij dezelfde nanodeeltjesconcentratie en ultrasone intensiteitsomstandigheden. Zo wordt de vereiste onderkoelingsgraad voor het stollen van water met 70,6% verlaagd voor de Al2 O3 nanodeeltjes met een concentratie van 0,6 gew.% en ultrasone intensiteit van 0,69 W cm −2 , terwijl voor de SiO2 . slechts 56,1% verlaging van de onderkoelingsgraad wordt verkregen nanodeeltjes onder dezelfde omstandigheden. Om dezelfde reductie van 70,6% in de onderkoelingsgraad te bereiken, is een hogere concentratie van 1,0 gew.% vereist voor de SiO2 nanodeeltjes met grote contacthoek. Daarom kan de ijskiemvorming van water, geholpen door nanodeeltjes en ultrageluid samen, worden vergemakkelijkt door de nanodeeltjesconcentratie en ultrasone intensiteit te verhogen en de contacthoek van nanodeeltjes te verkleinen.
Gecombineerd effect van ultrageluid en nanodeeltjes op de onderkoelingsgraad van water [a Al2 O3 nanodeeltjes, b SiO2 nanodeeltjes]. ΔT N-U /ΔT W geeft de verhouding weer van de onderkoelingsgraad die nodig is voor de stolling van water met nanodeeltjes en ultrageluid tot die zonder nanodeeltjes en ultrageluid
Vergelijking van onderkoelingsgraden van water gecontroleerd door nanodeeltjes en ultrageluid afzonderlijk en wederzijds
Wanneer de nanodeeltjes en ultrageluid gelijktijdig de ijskiemvorming van water beïnvloeden, blijkt het uiteindelijke effect niet alleen de optelling van alle individuele effecten te zijn; dat wil zeggen dat de door de nanodeeltjes en ultrageluid samen bepaalde verlaging van de onderkoelingsgraad van water in werkelijkheid lager is dan de som van de door hen afzonderlijk bepaalde verlagingen. Zo wordt de onderkoelingsgraad van water met 70,6% verlaagd bij de Al2 O3 nanodeeltjesconcentratie van 0,6 gew.% en ultrasone intensiteit van 0,69 W cm −2 (Fig. 4a), wat kleiner is dan de som van de vermindering van 37,4% veroorzaakt door 0,6 gew.% nanodeeltjes en de vermindering van 52,1% veroorzaakt door 0,69 W cm −2 echografie (afb. 3). Bovendien is de vermindering van de onderkoelingsgraad van water die wordt veroorzaakt door nanodeeltjes en ultrageluid altijd groter dan die veroorzaakt door nanodeeltjes afzonderlijk, terwijl deze groter of kleiner kan zijn dan die veroorzaakt door alleen ultrageluid, afhankelijk van de nanodeeltjesconcentratie en de ultrasone intensiteit. Er wordt bijvoorbeeld een vermindering van 47,2% in de onderkoelingsgraad van water verkregen bij een nanodeeltjesconcentratie van 0,2 gew.% en een ultrasone intensiteit van 0,69 W cm −2 (Fig. 4a), wat groter is dan de reductie van 19,3% veroorzaakt door 0,2 gew.% Al2 O3 nanodeeltjes, maar kleiner dan de reductie van 52,1% veroorzaakt door 0,69 W cm −2 echografie (afb. 3). Figuur 5 toont de verhoudingen van onderkoelingsgraad voor waterstolling met nanodeeltjes en ultrageluid onderling tot die met ultrageluid afzonderlijk (R 4 = ΔT N-U /ΔT U ) bij verschillende nanodeeltjesconcentraties en ultrasone intensiteiten. Deze onderkoelingsgraadverhouding R 4 van water neemt af met de toename van de nanodeeltjesconcentratie en afname van de ultrasone intensiteit; bovendien is het> 1 bij lage nanodeeltjesconcentraties en hoge ultrasone intensiteiten en < 1 bij hoge nanodeeltjesconcentraties en lage ultrasone intensiteiten.
Vergelijking van de onderkoelingsgraden van water gecontroleerd door ultrageluid en nanodeeltjes onderling en afzonderlijk [a Al2 O3 nanodeeltjes, b SiO2 nanodeeltjes]. ΔT N-U /ΔT U geeft de verhouding weer van de mate van onderkoeling die nodig is voor de stolling van water met nanodeeltjes en ultrageluid tot die met ultrageluid
In deze studie zijn we van mening dat het gecombineerde effect van nanodeeltjes en ultrageluid positief is wanneer de onderkoelingsgraadverhouding R 4 is < 1 en negatief wanneer de onderkoelingsgraadverhouding R 4 is> 1. De corresponderende regelcondities voor deze twee situaties worden weergegeven in Fig. 6. De afbeelding toont een rode scheidslijn waarop alle graadverhoudingen van onderkoeling R 4 van water zijn gelijk aan 1. In de zone boven deze scheidslijn (negatieve zone) zijn alle graadverhoudingen van onderkoeling R 4 zijn> 1; in de zone onder de scheidslijn (positieve zone), alle onderkoelingsgraadverhoudingen R 4 zijn < 1. De nanodeeltjesconcentratie en de ultrasone intensiteit die overeenkomen met de onderkoelingsgraadverhouding R 4 van 1 worden respectievelijk gedefinieerd als het kritieke gebied en de kritieke intensiteit. Blijkbaar bestaat er een één-op-één overeenkomst tussen de nanodeeltjesconcentratie en de ultrasone intensiteit; dat wil zeggen, een hogere nanodeeltjesconcentratie komt overeen met een hogere ultrasone intensiteit op de scheidslijn. Wanneer de nanodeeltjesconcentratie lager is dan de kritische concentratie bij een bepaalde ultrasone intensiteit of de ultrasone intensiteit hoger is dan de kritische intensiteit bij een bepaalde nanodeeltjesconcentratie, is de onderkoelingsgraadverhouding R 4 van water zal in de negatieve zone vallen en omgekeerd zal het in de positieve zone vallen. Bovendien blijken de kritische nanodeeltjesconcentratie en ultrasone intensiteit geassocieerd te zijn met de contacthoek van nanodeeltjes. De vergelijking van de Al2 O3 en SiO2 nanodeeltjes laat zien dat wanneer de contacthoek van nanodeeltjes toeneemt, de rode scheidslijn van water beweegt in de richting van hoge nanodeeltjesconcentratie en lage ultrasone intensiteit, wat leidt tot de samentrekking van de positieve zone gecontroleerd door nanodeeltjes en ultrageluid samen. Bijvoorbeeld de gecontroleerde onderkoelingsgraadverhouding R 4 van water door SiO2 nanodeeltjes bevinden zich in de negatieve zone in plaats van de positieve zone bij een nanodeeltjesconcentratie van 0,4 gew.% en 0,69 W cm −2 ultrasone intensiteit, vergeleken met die gecontroleerd door Al2 O3 nanodeeltjes.
Een diagram met de verschillende effecten van ultrageluid en nanodeeltjes op de onderkoelingsgraad van water [a Al2 O3 nanodeeltjes, b SiO2 nanodeeltjes]. De blauwe, rode en groene stippen geven aan dat de vereiste onderkoelingsgraad voor de waterstolling met nanodeeltjes en ultrageluid respectievelijk lager, gelijk aan en hoger is dan die met ultrageluid afzonderlijk
Nucleatieanalyse van water gestold onder het gecombineerde effect van nanodeeltjes en ultrageluid
De typische volumeveranderingen van water- en nanodeeltjessuspensie gemeten in de positieve en negatieve zones worden getoond in Fig. 7. In de negatieve zone is een grote volumeverandering duidelijk zichtbaar, terwijl deze volledig afwezig is in de positieve zone. Voor zover wij weten, zijn twee processen, namelijk gerectificeerde diffusie en bellencoalescentie, betrokken bij het beheersen van de groei van cavitatiebellen. Gerectificeerde diffusie verwijst naar de groei van cavitatiebellen als gevolg van ongelijk massatransport over de bellenwand tijdens de verdunnings- en compressiecycli. Tijdens de expansiefase van de bel (rarefactie) diffunderen de in water oplossende gassen in de bel; ondertussen, tijdens de compressiefase van de bel (instorting), diffunderen de gassen in de bel eruit. Bellencoalescentie betekent dat enkele kleinere cavitatiebellen samensmelten en een grotere bel vormen. In tegenstelling tot de cavitatiebellen gevormd door gerectificeerde diffusie, ondergaan bellen gevormd door bellencoalescentie niet de cavitatiecyclus en bezwijken ze niet [28, 29]. We concluderen daarom dat cavitatiebellen in de positieve en negatieve zones kunnen worden gevormd door respectievelijk gerectificeerde diffusie en bellencoalescentie. In deze studie worden ook de dispersiestabiliteiten van nanodeeltjes tijdens het stollen van water in de positieve en negatieve zones onderzocht, en de resultaten ondersteunen de bovenstaande conclusie. Zoals weergegeven in Fig. 7, is de absorptieverhouding (R 5 = A A /A B ) van de waterige suspensie van Al2 O3 nanodeeltjes heeft geen aanzienlijke verandering in de positieve zone, terwijl de absorptieverhouding in de negatieve zone aanzienlijk wordt verminderd. De A B en A A zijn respectievelijk de absorptiewaarden van de suspensie van nanodeeltjes voor en na de stollings-/smeltcyclus. Deze waarneming geeft aan dat de dispersiestabiliteit van nanodeeltjes in water kan worden gehandhaafd in de positieve zone, maar verslechtert in de negatieve zone. In deze studie verschijnen grote agglomeraten van nanodeeltjes in de negatieve zone, die snel zullen bezinken in het daaropvolgende smeltproces. De goede verspreiding van nanodeeltjes in de positieve zone kan worden toegeschreven aan de botsing van caviterende jets die volgen op de ineenstorting van gasbellen gevormd door gerectificeerde diffusie; de aggregatie van nanodeeltjes in de negatieve zone kan te wijten zijn aan de adsorptie van nanodeeltjes aan de grote gasbellen gevormd door bellencoalescentie. De bovenstaande analyse van de cavitatiebellen gevormd in de positieve en negatieve zones wordt weergegeven in Fig. 8.
Volume- en absorptievariaties van de Al2 O3 suspensie van nanodeeltjes veroorzaakt door uitwendig ultrageluid bij verschillende nanodeeltjesconcentraties
Een schematisch diagram met de cavitatiebellen gevormd in de positieve en negatieve zones
Nanodeeltjes en cavitatiebellen kunnen fungeren als kiemvormende middelen om de onderkoelingsgraad van water te verminderen, zoals hierboven vermeld. Aangezien nanodeeltjes de ultrasone energie kunnen absorberen en verstrooien, moeten het aantal en de grootte van de bellen worden verminderd. As a result, the nucleating effect of cavitation bubbles possibly weakens in the presence of nanoparticles. Therefore, the superiority of using nanoparticles and ultrasound mutually over using them separately on water solidification depends on whether the nucleating effect of foreign nanoparticles can compensate for the weakened effect of cavitation bubbles. Our experiment results show that in the positive zone (R 4 < 1), the combined effect of nanoparticles and ultrasound is stronger than their respective effects but do not exceed the addition of these respective effects. This result suggests that the weakened effect of cavitation bubbles can be compensated in the positive zone. In the negative zone (R 4 > 1), the cavitation bubbles with large sizes are formed through bubble coalescence pathway, and they have strong adsorption to nanoparticles. Consequently, the combined effect of nanoparticles and bubbles weaken due to the reduction of the total number of the two nucleation sites. This result may be the reason why the required supercooling degree for the nanoparticle- and ultrasound-induced nucleation of water is higher than that induced by ultrasound alone at the same ultrasonic intensity in the negative zone.
Generally, a certain energy barrier has to be overcome to realize the conversion of rectified-diffusion-induced bubbles to bubble-coalescence-induced bubbles. Correspondingly, the rectified-diffusion-induced bubbles can be converted into the bubble-coalescence-induced bubbles by increasing the intensity of ultrasound to some extent. Furthermore, adding nanoparticles with water can favor the formation of rectified-diffusion-induced bubbles by adsorbing and reflecting some energy of ultrasound. In addition, the nanoparticles adjacent to the bubble wall have a shell effect because the cavitation bubbles are generally in the micron range, which is considerably larger than the nanoparticles [30]. The dispersed nanoparticles in water have charged surfaces, and the shell consisting of these nanoparticles should be charged accordingly. As shown in Fig. 1, the nanoparticle suspensions have relatively high zeta potentials. Hence, the coalescence of gas bubbles can be inhibited due to the electrostatic repulsion of the shell, according to the Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek theory [31]. The increase of nanoparticle concentration can certainly strengthen the absorption and shell effects of nanoparticles and thus contributes to the formation of rectified-diffusion-induced bubbles. In short, decreasing the ultrasonic intensity and increasing nanoparticle concentration can facilitate the formation of rectified-diffusion-induced bubbles. Consequently, the critical ultrasonic intensity corresponding to a high nanoparticle concentration, at which the rectified-diffusion-induced bubbles is converted into the bubble-coalescence-induced bubbles, should be higher than that corresponding to a low nanoparticle concentration. Thus, the critical nanoparticle concentration and ultrasonic intensity on the dividing line are positively correlated in this study (Fig. 6). The contact angle of nanoparticles is also proven to be an important factor influencing the ice nucleation of water controlled by nanoparticles and ultrasound. The critical nanoparticle concentration on the dividing line decreases, and the critical ultrasonic intensity increases with the decrease of the contact angle of nanoparticles (Fig. 6). This result may be attributed to the capability of nanoparticles with a small contact angle, which have a strong affinity for water, to be dispersed in the water more steadily and having a stronger shell effect on promoting the formation of rectified-diffusion-induced bubbles, compared with those nanoparticles with a large contact angle.
Conclusies
In this study, the solidification processes of water under the effects of nanoparticles and ultrasound are investigated mutually and separately. The foreign nanoparticles and cavitation bubbles can act as nucleation sites and promote the heterogeneous nucleation of water. Based on the type of cavitation bubbles generated through ultrasound, we divide water solidification into rectified-diffusion-driven and bubble-coalescence-driven solidification. In the rectified-diffusion-driven water solidification, the foreign nanoparticles can be uniformly dispersed in water exposed to an ultrasound field; thus, the water solidification aided by ultrasound and nanoparticles together can occur at a lower supercooling degree compared with that aided by ultrasound or nanoparticles alone due to the increase in the total number of nucleation sites. On the contrary, the adsorption of cavitation bubbles with large sizes for nanoparticles in the bubble-coalescence-driven water solidification leads to a decrease in the number of effective nucleation sites. As a result, a higher supercooling degree is needed for the water solidification assisted by nanoparticles and ultrasound together. In view of the requirements of low supercooling and high stability for the latent heat storage materials, using ultrasound and nanoparticles mutually is a better method of promoting the ice nucleation of water in the rectified-diffusion-driven solidification compared with using them separately, whereas the situation is reversed in the bubble-coalescence-driven water solidification.
The nanoparticle concentration, contact angle, and ultrasonic intensity are three important factors determining the type of the controlled water solidification by ultrasound and nanoparticles. The critical ultrasonic intensity and nanoparticle concentration, at which the required supercooling degrees for the water solidification assisted by nanoparticles and ultrasound mutually and separately are equal, are found to be positively related and affected by the contact angle of nanoparticles; that is, the critical ultrasonic intensity decreases and the critical nanoparticle concentration increases with the increase of the contact angle. The rectified-diffusion-driven water solidification exists in the zone where the ultrasonic intensity is lower and the nanoparticle concentration is higher than their critical values; otherwise, the bubble-coalescence-driven water solidification exists. Reducing the contact angle of nanoparticles can expand and contract the zones of rectified-diffusion-driven and bubble-coalescence-driven water solidification, respectively.
Afkortingen
- TEM:
-
Transmissie elektronenmicroscoop
Nanomaterialen
- Werking van de waterstroomsensor en zijn toepassingen
- Raspberry Pi-gestuurde aquaponics
- Nanodeeltjes voor kankertherapie:huidige vooruitgang en uitdagingen
- Preparatie en magnetische eigenschappen van kobalt-gedoteerde FeMn2O4-spinel-nanodeeltjes
- Nanotechnologie:van in vivo beeldvormingssysteem tot gecontroleerde medicijnafgifte
- Synthese en luminescentie-eigenschappen van in water oplosbare α-NaGdF4/β-NaYF4:Yb,Er Core–Shell-nanodeeltjes
- Invloed van elastische stijfheid en oppervlakteadhesie op het stuiteren van nanodeeltjes
- Recente ontwikkelingen in synthetische methoden en toepassingen van zilveren nanostructuren
- Eigenschappen van zinkoxide-nanodeeltjes en hun activiteit tegen microben
- Eenvoudige synthese van ligandvrije iridium-nanodeeltjes en hun in vitro biocompatibiliteit
- Natuurlijke dissociatieverhouding van door de carboxylgroep gecontroleerde sterk verspreide zilvernanodeeltjes op PSA-microsferen en hun katalytische prestaties