Al₂O₃- en SiO₂-nanodeeltjes met ultrasone golf verlagen wateroversuperkoeling aanzienlijk

Samenvatting

Al₂O₃- en SiO₂-nanodeeltjes, gecombineerd met ultrasone golf, werden ingezet om de superkoelingsgraad van water te verlagen. De studie onderzocht hoe de concentratie van nanodeeltjes, de contacthoek en de ultrasone intensiteit de superkoeling beïnvloeden, terwijl de dispersiestabiliteit van de nanodeeltjes tijdens verstijving werd gemonitord. De resultaten tonen aan dat de gecombineerde toepassing van ultrasone golf en nanodeeltjes de superkoeling effectiever verlaagt dan elke behandeling afzonderlijk. De reductie neemt toe bij hogere ultrasone intensiteit en nanodeeltjesconcentratie, en bij lagere contacthoek van de nanodeeltjes. Echter, het gecombineerde effect overschrijdt nooit de som van de individuele effecten, en in sommige gevallen is het zelfs kleiner dan het effect van ultrasone golf alleen. Het behoud van de nanodeeltjesdispersie vereist dat de gecombineerde behandeling ultrasone golf alleen overtreft; anders treedt aggregatie op, wat het voordeel ondermijnt. Optimale bereiken van nanodeeltjesconcentratie, contacthoek en ultrasone intensiteit die zowel lage superkoeling als stabiele dispersie bereiken, werden geïdentificeerd, en de onderliggende mechanismen werden besproken.

Inleiding

Energieopslag is een cruciale technologie voor het aanpakken van milieuverontreiniging, energietekorten en hoge operationele kosten. Latente-warmte thermische energieopslag (LHTES) biedt een hoge volumetrische opslagdichtheid, met name wanneer water als faseveranderingsmateriaal wordt gebruikt. Toch beperkt de neiging van water om te superkoelen tijdens verstijving de praktische efficiëntie: een groter temperatuurverschil tussen opladen en ontladen is vereist, wat de algehele systeemprestaties verlaagt. Het minimaliseren van wateroversuperkoeling is dus essentieel voor de vooruitgang van LHTES.

Nanodeeltjes worden veel gebruikt als nucleatieagenten om de superkoeling te controleren. Hydrofiele metaaloxiden zoals TiO₂, Al₂O₃ en CuO, evenals hydrofobe koolstofnanomaterialen, kunnen de Gibbs-vrije-energiebarrière voor ijsnucleatie verlagen door hoge-oppervlakte nucleatieplaatsen te bieden. Studies tonen aan dat nanodeeltjes met een hoge specifieke oppervlakte (bijv. grafeennanoplatelets bij 0,02 wt.%) de superkoeling kunnen elimineren, terwijl TiO₂ bij 1,0 wt.% deze slechts met ~70 % verlaagt. Het verhogen van het aantal nucleatieplaatsen is dus effectiever dan alleen de hydrofiliciteit te verbeteren.

Hoge-oppervlakte nanodeeltjes hebben echter de neiging om te aggregeren, met name boven 1,0–2,0 wt.%, wat de lange-termijn thermische prestaties aantast. Ultrasone golf is als alternatieve strategie opgedoken: akoestische cavitatie kan fungeren als nucleatieplaatsen of drukfluctuaties genereren die ijsvorming initieren. Hoewel het exacte mechanisme nog gedebatteerd wordt, wijzen bewijzen erop dat ultrasone golf de superkoeling verlaagt door microbellen te creëren of te laten imploderen.

Eerder werk dat grafeenoxide-nanodeeltjes combineerde met ultrasone golf toonde een synergistische reductie van superkoeling, maar het fenomeen werd niet volledig verklaard. Onze eigen studies met TiO₂-nanodeeltjes onthulden dat ultrasone golf niet alleen de superkoeling verlaagt, maar ook nanodeeltjesaggregatie bevordert bij hoge vermogen. Een systematisch onderzoek naar Al₂O₃- en SiO₂-nanodeeltjes, die hydrofiel zijn en stabiel in water kunnen blijven, is nodig om te verduidelijken hoe nanodeeltjesconcentratie, contacthoek en ultrasone intensiteit gezamenlijk de superkoeling en dispersie beïnvloeden.

Experimenteel

Al₂O₃- en SiO₂-nanodeeltjes (Aladdin Chemical Reagent Co. Ltd.) werden geselecteerd vanwege hun sterke wateraffiniteit. Contacthoeken werden gemeten via statische zittende druppel met een DataPhysics OCA40 Micro-goniometer; vijf herhalingen gaven <1 % variantie (Fig. 1). Suspensies werden bereid in gedemineraliseerd water (pH 8, aangepast met NaOH) zonder surfactant. Nanodeeltjes werden gedispergeerd door 1-uurs sonicatie (Sonics Vibra-Cell, 600 W, 20 kHz). Concentraties van 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 en 1,0 wt.% werden onderzocht.

Zeta-potentialen overschreden ±30 mV over alle concentraties, wat electrostatische stabiliteit bevestigt. TEM-beelden (Fig. 1b) bevestigden uniforme dispersie, en de suspensies bleven 4 dagen stabiel zonder sedimentatie.

Het verstijvingsapparaat (Fig. 2a) bestond uit een thermostatisch bad (CDC-1), een ultrasone generator (Sonics Vibra-Cell JY88-IIN), een temperatuur datalogger (Agilent 34970A) en een pc voor real-time monitoring. Monsters (~20 mL) werden op 2 inch van een verticaal gepositioneerde ultrasone bron geplaatst. Afkoeling tot -20 °C werd uitgevoerd bij ultrasone intensiteiten van 0,14 tot 1,27 W cm⁻² (80 % duty cycle). Ultrasone golf werd toegepast zodra het monster 0 °C bereikte en stopte bij ijsnucleatie; de totale blootstelling was <2 min, verwaarloosbaar voor warmteoverdracht.

Afkoelcurves werden opgenomen met een koper-constantaan T-type thermocontact (±0,2 °C). Elke conditie werd ≥15 keer herhaald; afwijkingen waren ±1,5 %.

Cavitatiebeltoestanden werden beoordeeld via een capillairmethode. UV-vis absorbantie voor en na verstijving/smelten kwantificeerde nanodeeltjesdispersie (vijf herhalingen). Alle data werden gemiddeld.

Resultaten en Discussie

Superkoeling met nanodeeltjes of ultrasone golf afzonderlijk

Figuur 3 toont de verhouding R₁ = ΔT_N/ΔT_W voor verschillende nanodeeltjesconcentraties. Zuiver water vertoonde ΔT_W ≈ 11,6 °C. R₁ < 1 en daalde met concentratie, wat bevestigt dat Al₂O₃ en SiO₂ effectieve nucleators zijn. Al₂O₃ bereikte een reductie van 37,4 % bij 0,6 wt.%, terwijl SiO₂ 28,3 % bereikte bij dezelfde concentratie; het verhogen van SiO₂ naar 0,8 wt.% evenaarde de prestaties van Al₂O₃ (37,1 %). Hogere concentratie compenseert dus voor een grotere contacthoek.

Voor ultrasone golf alleen daalde de verhouding R₂ = ΔT_U/ΔT_W onder 1, met de grootste reductie van 83,1 % bij 1,27 W cm⁻², wat de krachtige nucleerende rol van akoestische cavitatie illustreert.

Gecombineerd effect van nanodeeltjes en ultrasone golf

Figuur 4 presenteert R₃ = ΔT_N-U/ΔT_W, wat aantoont dat de gecombineerde behandeling de superkoeling altijd verlaagt ten opzichte van de controle. De mate van reductie hangt af van nanodeeltjesconcentratie, ultrasone intensiteit en contacthoek. Bijvoorbeeld werd een reductie van 63,7 % waargenomen met 0,2 wt.% Al₂O₃ bij 1,27 W cm⁻²; bij dezelfde intensiteit trad een reductie van 58,1 % op toen Al₂O₃ steeg van 0,2 naar 1,0 wt.%. Al₂O₃ presteerde consequent beter dan SiO₂ onder gelijke omstandigheden door de kleinere contacthoek.

Vergelijking van afzonderlijke en gecombineerde behandelingen

De gecombineerde reductie overschrijdt nooit de som van de individuele effecten; in sommige gevallen is deze lager. Bijvoorbeeld, bij 0,6 wt.% Al₂O₃ en 0,69 W cm⁻² is de gezamenlijke reductie (70,6 %) kleiner dan de gecombineerde individuele reducties (37,4 % + 52,1 %). Integen, het gecombineerde effect overstijgt altijd het effect van nanodeeltjes alleen, en kan groter of kleiner zijn dan het effect van ultrasone golf alleen, afhankelijk van de parameters.

Figuur 6 toont de kritieke grens waar R₄ = 1. Boven de rode lijn (negatieve zone) is R₄ > 1; eronder (positieve zone) is R₄ < 1. De grens verschuift naar hogere concentraties en lagere intensiteiten naarmate de contacthoek toeneemt, wat de positieve zone voor SiO₂ krimpt ten opzichte van Al₂O₃.

Nucleatiemechanisme

Figuur 7 toont volumeveranderingen en absorbantieverhoudingen (R₅ = A_A/A_B) voor Al₂O₃-suspensies in positieve en negatieve zones. Positieve zones vertonen verwaarloosbare volumeverandering en stabiele absorbantie, wat behouden dispersie aangeeft. Negatieve zones tonen significante volumetoename en absorbantieverlies, wat aggregatie bevestigt.

In de gerechtificeerde-diffusiezone groeien kleine bellen via asymmetrische massatransport en kollapsen, wat talrijke nucleatieplaatsen biedt terwijl nanodeeltjes gedispergeerd blijven. In de bel-coalescentiezone vormen grotere bellen door coalescentie, adsorberen nanodeeltjes en verminderen effectieve nucleatieplaatsen. De overgang tussen deze regimes wordt bepaald door ultrasone intensiteit en nanodeeltjesconcentratie: hogere intensiteit bevordert coalescentie, terwijl hogere concentratie en lagere contacthoek gerechtificeerde diffusie bevorderen.

Conclusies

Al₂O₃- en SiO₂-nanodeeltjes gecombineerd met ultrasone golf fungeren als heterogene nucleatieplaatsen, wat de wateroversuperkoeling verlaagt. Het effect hangt af van het type cavitatiebellen dat gevormd wordt:

• Gerechtificeerde-diffusie-gedreven verstijving: de gecombineerde behandeling levert een lagere superkoelingsgraad dan elke behandeling afzonderlijk omdat nucleatieplaatsen additief zijn.
• Bel-coalescentie-gedreven verstijving: de gecombineerde behandeling vereist een hogere superkoelingsgraad door aggregatie van nanodeeltjes op grote bellen.

Optimale prestaties worden bereikt wanneer de ultrasone intensiteit laag is en de nanodeeltjesconcentratie hoog, wat het systeem in de gerechtificeerde-diffusiezone plaatst. De contacthoek beïnvloedt kritisch de kritieke intensiteit en concentratie: kleinere hoeken vergroten de gunstige zone, terwijl grotere hoeken deze krimpen. Deze inzichten leiden het ontwerp van nanodeeltjes-ultrasone systemen voor efficiënte latente-warmteopslag.

Afkortingen

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop