Menuju Nanofluida TiO2—Bagian 1:Persiapan dan Sifat
Abstrak
Sebagai fluida kerja generasi baru, nanofluida telah lama dianggap sebagai topik penelitian yang hangat dalam tiga dekade terakhir. Banyak makalah review telah memberikan ringkasan yang komprehensif dan sistematis pada pengembangan dan state-of-the-art nanofluida. Sampai hari ini, menjadi semakin sulit untuk memberikan tinjauan komprehensif dari semua jenis nanofluida karena sejumlah besar literatur terkait. Dan banyak kontroversi dan inkonsistensi dalam argumen yang dilaporkan telah diamati di berbagai nanofluida. Sementara itu, tinjauan sistematis atau komprehensif pada jenis nanofluida tertentu tidak cukup. Oleh karena itu, ulasan ini berfokus pada penelitian tentang salah satu jenis terpanas yaitu. TiO2 nanofluid, yang telah menarik perhatian besar para ilmuwan karena sifatnya yang menarik dan komprehensif seperti dispersi yang sensasional, stabilitas kimia, dan non-toksisitas. Karena persiapan nanofluida adalah prasyarat dan sifat fisik merupakan faktor penting untuk aplikasi lebih lanjut, bagian pertama dari tinjauan ini merangkum penelitian terbaru tentang persiapan, stabilitas, dan sifat fisik TiO2 nanofluida.
Ulasan
Latar Belakang
Pengembangan Nanofluida
Karena kapasitas perpindahan panas cairan umumnya jauh di bawah logam padat atau senyawa logam, diharapkan perpindahan panas cairan dapat ditingkatkan dengan menangguhkan partikel padat ke dalamnya. Namun, beberapa kelemahan muncul dalam suspensi dengan partikel milimeter atau mikrometer, seperti dispersibilitas, agregasi, dan sedimentasi yang buruk serta melekat pada permukaan bagian dalam sistem, yang dapat dengan mudah menyebabkan penurunan kinerja perpindahan panas, peningkatan daya pemompaan, dan bahkan blok pipa. Sebuah peluang baru untuk mengatasi kelemahan ini ditemukan ketika generasi baru suspensi yaitu. nanofluida diusulkan oleh Choi pada tahun 1995 [1].
Nanofluid adalah jenis baru suspensi encer yang mengandung nanopartikel yang setidaknya berukuran satu dimensi di bawah 100 nm. Ketika ukuran partikel dalam suspensi mencapai tingkat nanometer, diharapkan suspensi dapat mencapai sifat termal yang lebih baik dan sekaligus menjaga lebih stabil daripada milimeter atau mikrometer partikel/campuran cair. Nanofluida yang stabil juga dapat memperoleh likuiditas yang lebih baik, dan terkadang dapat diperlakukan sebagai fluida fase tunggal. Oleh karena itu, salah satu tantangan terbesar yang dihadapi nanofluida adalah persiapan dan stabilitas, yang merupakan prasyarat utama untuk mencapai sifat termofisika yang baik dan aplikasi rekayasa lebih lanjut. Dengan demikian, penelitian tentang nanofluida secara umum dapat dikategorikan ke dalam arah berikut:studi persiapan dan stabilitas [2, 3], sifat fisik seperti konduktivitas termal [4,5,6,7,8] dan analisis viskositas [9,10 ,11,12], penelitian perpindahan panas [13, 14], aplikasi teknik [15,16,17,18], dan analisis teoritis atau pengembangan model [19,20,21,22,23,24,25].
Dalam dua dekade terakhir terutama 10 tahun terakhir, penelitian tentang nanofluida telah meningkat secara eksplosif karena sifatnya yang menarik dan banyak peneliti telah melakukan studi eksperimental atau teoretis pada berbagai aspek nanofluida [26,27,28,29]. Untuk menggambarkan hal ini, tren pertumbuhan jumlah publikasi yang mengandung "nanofluida atau nanofluida" dalam judul yang diambil dari "web of science" dapat ditemukan pada Gambar. 1 Gambar ini dengan jelas menggambarkan bahwa penelitian nanofluida berkembang begitu cepat sehingga publikasi pada tahun 2016 telah mendarat 21,9% dari total dalam dua dekade terakhir. Jika ruang lingkup pengambilan dilonggarkan ke teks penuh dan berisi lebih banyak database pencarian, hasilnya bisa meningkat beberapa kali lipat. Oleh karena itu, menjadi semakin sulit untuk memberikan tinjauan komprehensif dari semua jenis nanofluida karena sejumlah besar literatur terkait. Dan dalam 2 tahun terakhir, beberapa ulasan telah berfokus pada satu aspek properti atau jenis cairan nano tertentu untuk memberikan ulasan yang lebih komprehensif. Misalnya, Tabel 1 menunjukkan ulasan terbaru tentang beberapa aspek khusus nanofluida seperti:
(1)
Persiapan atau karakterisasi [30,31,32]
(2)
Jenis nanopartikel tertentu (Al2 O3 , TiO2 , CuO, graphene, CNT, nanofluida hibrid) [32,33,34,35,36,37,38]
(3)
Jenis cairan dasar tertentu (air, EG, EG/campuran air, minyak) [39,40,41,42]
(4)
Satu atau lebih sifat fisik (konduktivitas termal, viskositas, panas spesifik) [43,44,45,46,47]
(5)
Jenis karakteristik tertentu (paksa, sifat, perpindahan panas konveksi mendidih, penurunan tekanan, migrasi partikel) [48,49,50,51,52,53]
(6)
Beberapa aplikasi khusus (penukar panas, kolektor surya, pendinginan) [54,55,56,57,58,59,60,61,62]
Jumlah publikasi yang mengandung “nanofluids atau nanofluid” dalam judul diambil dari “web of science”
Kelebihan TiO2 Nanofluida
Pengenalan di atas pada Tabel 1 menunjukkan kelayakan dan pentingnya ulasan pada beberapa arah khusus nanofluida karena dapat memberikan informasi yang relatif komprehensif dan mendetail untuk aspek tertentu. Sebagai salah satu jenis yang paling umum, TiO2 nanofluida telah menarik perhatian besar para ilmuwan karena sifat fisik dan kimianya yang sangat baik. Pertama, TiO2 banyak digunakan di bidang percetakan, kosmetik, pemurnian udara, dll., dan merupakan bahan aman yang diakui secara universal tanpa toksisitas bagi manusia. Mempertimbangkan keamanan nanofluid ini, Taghizadeh-Tabari et al. [63] telah menerapkan TiO2 –air nanofluida dalam penukar panas pelat untuk industri pasteurisasi susu. Kedua, TiO2 memiliki stabilitas kimia yang luar biasa, ketahanan terhadap asam, alkali, dan sebagian besar erosi larutan organik. Ketiga, TiO2 nanopartikel telah diproduksi di kelas industri yang lebih besar yang membuatnya relatif ekonomis [64]. Keempat, TiO2 nanopartikel memiliki dispensabilitas yang relatif baik baik dalam cairan basa polar maupun nonpolar terutama ketika menambahkan dispersan yang tepat. Yang dkk. [65] menyelidiki stabilitas dispersi dari 20 jenis nanopartikel dalam larutan amonia-air. Hasil penelitian menunjukkan bahwa anatase TiO2 adalah oksida logam yang paling stabil tanpa surfaktan, dan stabilitasnya dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan menambahkan surfaktan yang tepat. Dalam laporan Silambarasan et al. [66], serapan TiO2 nanofluida sangat sedikit bervariasi setelah penyimpanan 10 hari seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Sedikit perubahan dalam daya serap menunjukkan bahwa stabilitas TiO2 nanofluida yang mereka siapkan cukup luar biasa. Dapat disimpulkan dengan meringkas literatur yang tersedia bahwa TiO2 nanopartikel secara umum memiliki dispensability yang lebih baik dibandingkan dengan nanopartikel oksida logam konvensional lainnya. Karena dispersi nanopartikel dalam cairan merupakan prasyarat terpenting untuk aplikasi nanofluida, banyak peneliti telah memilih TiO2 nanofluida sebagai subjek penelitian.
Absorbansi sebagai fungsi konsentrasi volume partikel hari 1 dan hari 10 [66]. Direproduksi dengan izin dari Elsevier
Karena persiapan nanofluida adalah prasyarat dan sifat fisik merupakan faktor penting untuk merancang dan membangun aplikasi terkait energi, tujuan dari dua ulasan adalah untuk secara sistematis meringkas kemajuan studi terbaru pada TiO2 nanofluida, termasuk persiapan, stabilitas, sifat fisik, dan aplikasi energi. Sketsa diagram terperinci dari dua ulasan tentang persiapan, properti, dan penerapan TiO2 nanofluida dapat dilihat pada Gambar. 3. Tinjauan ini disusun dari perspektif jenis nanofluida tertentu, yang dianggap sebagai salah satu jenis yang paling dekat dengan aplikasi praktis. Dan tujuan utama dari makalah ini adalah untuk memberikan panduan referensi yang bermanfaat bagi para peneliti untuk memperbarui pengetahuan tentang status penelitian TiO2 nanofluids dan tunjukkan tantangan kritis dan rekomendasi yang berguna untuk arah studi masa depan.
Sketsa diagram persiapan, properti, aplikasi, dan tantangan TiO2 nanofluida
Persiapan TiO2 Nanofluida
Metode Satu Langkah
Secara umum, dua metode persiapan utama dapat dibedakan:metode satu langkah dan dua langkah. Metode satu langkah diimplementasikan dengan mensuspensikan nanopartikel ke dalam fluida kerja yang dibutuhkan yang menyertai proses pembangkitannya. Metode satu langkah dapat dibagi lagi menjadi metode fisik dan metode kimia. Metode fisik meliputi deposisi uap, ablasi laser, dan busur terendam. Metode kimia berarti menghasilkan nanofluida melalui reaksi kimia. Umumnya, metode di atas diperkenalkan sebagai metode preparasi nanopartikel kering. Namun, metode tersebut dapat ditingkatkan menjadi metode persiapan satu langkah cairan nano dengan mengganti pengumpul partikel kering ke wadah cairan dasar yang sesuai.
Deposisi Uap
Deposisi uap adalah metode fisik umum dalam persiapan nanofluida. Perangkat khas untuk metode ini dapat dilihat pada Gambar. 4 [67]. Bahan padat curah untuk pembuatan nanopartikel dipanaskan dan diuapkan dalam wadah bertekanan rendah yang diisi dengan gas inert, dan kemudian, uap bahan mentah didinginkan oleh film cair yang berputar dan mengendap di cairan dasar. Deposisi uap biasanya digunakan dalam pembuatan nanofluida logam, tetapi metode ini jarang digunakan untuk TiO2 nanofluida karena suhu titik didih yang tinggi. Namun, metode ini dapat ditingkatkan dengan menggunakan pemanas listrik untuk mencapai suhu tinggi. Lee dkk. [68] menggunakan metode evaporasi kawat berdenyut satu langkah (PWE) untuk menyiapkan nanofluida berbasis etilen glikol (EG) yang mengandung TiO2 nanopartikel. Mereka menerapkan tegangan 25-kV berdenyut melintasi kawat tipis dan memanaskannya untuk menguap menjadi plasma dalam beberapa milidetik. Kemudian plasma diinteraksikan dengan oksigen argon dan dikondensasikan menjadi nanopartikel. Akhirnya, mereka mendapatkan TiO2 nanofluida dengan membiarkan nanopartikel langsung menghubungi EG di dalam dinding ruang.
Perangkat khas metode deposisi uap untuk persiapan nanofluida. Digambar ulang berdasarkan referensi [67]
Metode Busur Terendam
Metode busur terendam dapat memberikan dan menjaga suhu yang lebih tinggi untuk preparasi TiO2 nanofluida. Chang dkk. [69] membuat sistem sintesis busur terendam baru untuk menghasilkan TiO2 nanofluida. Perangkat mereka terutama terdiri dari unit semprotan busur, ruang vakum, dan sistem kontrol suhu dan tekanan, yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Dalam perangkat ini, TiO2 massal padatan diuapkan dengan metode pelepasan busur dalam ruang hampa, dan kemudian, gas TiO2 didinginkan dengan cepat menjadi padatan halus oleh cairan yang diisolasi. Mereka menyimpulkan bahwa metode ini lebih menonjol daripada metode aerosol karena nanofluida yang disiapkan memiliki stabilitas dispersi yang lebih tinggi dan dapat dianggap sebagai fluida Newtonian. Zhang dkk. [70] meningkatkan metode busur terendam dengan mengoptimalkan sistem kontrol parameter reaksi, sirkulasi pendinginan dan ukuran perangkat busur terendam. Berdasarkan sistem yang dioptimalkan, mereka dapat menghasilkan TiO yang lebih stabil dan halus2 suspensi dengan reproduktifitas yang baik dalam ukuran partikel. Dan kinerja adsorpsi TiO mereka2 nanopartikel lebih baik daripada yang komersial.
Gambar skema. dari sistem sintesis nanofluid busur terendam yang ditingkatkan (ISANSS) [40]. Direproduksi dengan izin dari The Japan Institute of Metals and Materials
Metode Kimia
Metode kimia adalah memperoleh nanofluida melalui reaksi kimia, dan umumnya meliputi metode kopresipitasi dan metode konversi prekursor. Metode kimia konvensional untuk mensintesis TiO2 nanofluida didasarkan pada prekursor TiO(OH)2 sedimen dengan reaksi kimia garam anorganik titanic dan amonia-air, kemudian mengalami kalsinasi untuk mendapatkan TiO2 bubuk. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa nanofluida yang diperoleh dengan metode kimia memiliki stabilitas yang lebih baik dan konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada yang dihasilkan dengan metode dua langkah [71]. Kemampuan mengontrol struktur mikro nanopartikel adalah fitur pembeda lain dari metode ini. Metode penyesuaian konvensional adalah untuk mengontrol parameter seperti suhu sintesis, nilai pH, waktu mandi ultrasonik, dan aditif [72]. Namun, metode ini terutama digunakan untuk menyiapkan TiO2 bubuk dengan mengeringkan cairan sebagai akibat dari lingkungan cairan yang kompleks dalam metode ini tidak cocok untuk aplikasi nanofluida secara rinci. Sedangkan saat TiO2 bubuk dapat tersuspensi secara stabil dalam cairan dasar yang dibutuhkan dengan mengubah cairan curah tanpa proses pengeringan, metode ini akan menjanjikan di bawah kondisi bahwa parameter lingkungan cairan baru seperti keasaman atau alkalinitas dan konsentrasi elektrolit mendekati cairan asli untuk persiapan.
Metode satu langkah belum mengandung proses pengeringan dan pendispersian yang rentan membentuk aglomerasi nanopartikel. Oleh karena itu, metode satu langkah umumnya diyakini untuk mendapatkan nanofluida yang lebih stabil [73]. Namun, ada juga beberapa cacat membatasi jangkauan aplikasi dari metode satu langkah. Misalnya, deposisi uap tidak dapat digunakan untuk menyiapkan nanofluida yang mengandung titik didih tinggi atau nanopartikel non-kristal. Metode ablasi laser dan busur terkubur vakum membutuhkan biaya tinggi dan kondisi kritis. Metode kimia umumnya membutuhkan layanan kondisi reaksi tertentu seperti nilai pH dan suhu yang diperlukan. Dan dapat dengan mudah mensintesis beberapa produk sampingan dalam cairan [74]. Sebagai contoh, Sonawane et al. [75] menggunakan metode sol-gel untuk mensintesis anatase TiO2 nanopartikel dengan nilai pH konstan 5. Larutan prekursor termasuk titanium isopropoksida dan isopropanol serta air suling ganda. Dapat disimpulkan bahwa campuran dengan nilai pH tertentu dan komposisi kimia yang kompleks tidak dapat digunakan sebagai nanofluida perpindahan panas. Oleh karena itu, mereka mengeringkan TiO yang disintesis2 nanopartikel dan kemudian didispersikan kembali ke dalam fluida kerja dasar yang diperlukan termasuk air, EG, dan minyak parafin dengan perlakuan ultrasonik untuk mendapatkan nanofluida yang diperlukan. Dapat disimpulkan bahwa metode satu langkah hampir tidak dapat digunakan untuk beberapa nanofluida dengan bahan tertentu, terutama untuk nanofluida dengan air murni, minyak, refrigeran, dll sebagai fluida dasar dan juga untuk sistem aplikasi yang mengandung gas volatil.
Metode Dua Langkah
Dalam metode dua langkah, proses memproduksi nanopartikel dan mensuspensikannya ke dalam cairan dasar yang diperlukan dioperasikan secara independen. Metode dua langkah banyak digunakan untuk TiO2 nanofluida sejak teknik sintesis TiO2 nanopartikel pada dasarnya telah mencapai skala produksi industri. Gambar 6 menampilkan prosedur khas metode dua langkah. Nanopartikel kering pertama-tama disintesis dengan metode kimia atau fisika dan kemudian disuspensikan ke dalam cairan dasar yang dibutuhkan. Namun, karena gaya interaksi partikel yang kuat dapat menyebabkan tabrakan dan agregasi partikel nano, agak sulit bagi mereka untuk tersuspensi secara stabil dan seragam dalam cairan dasar. Oleh karena itu, beberapa metode dispersi digunakan secara umum untuk memastikan stabilitas dan ketersediaan nanofluida yang baik.
Prosedur khas metode dua langkah preparasi nanofluida [35]. Direproduksi dengan izin dari Elsevier
Tabel 2 menunjukkan ringkasan studi terkait tentang metode preparasi TiO2 nanofluida dalam beberapa tahun terakhir. Dapat dilihat bahwa jenis fluida dasar telah melibatkan air, EG, refrigeran, pelarut organik, dll. Secara umum, tiga teknik utama untuk dispersi dan suspensi nanopartikel dalam fluida dasar banyak digunakan dalam proses preparasi dua langkah.
Menambahkan Dispersan
Metode dispersi pertama adalah memodifikasi permukaan partikel dengan menambahkan dispersan, yang diharapkan dapat mencegah nanopartikel dari agregasi oleh peran tolakan elektrostatik atau hambatan sterik dari molekul dispersan [76]. Dapat dicatat bahwa surfaktan yang paling sering digunakan adalah CTAB dalam laporan yang ada. Dan jenis lain termasuk SDBS, SDS, PVP, asam oleat, asam asetat, dan PEG juga digunakan pada beberapa penelitian. Pada tahun 2012, Mo et al. [77] menggunakan metode dua langkah untuk menyiapkan dua jenis nanofluida dengan mensuspensikan TiO2 rutil berbentuk batang2 dan anatase bola TiO2 ke dalam air. Mereka mengamati bahwa nanofluida dapat tetap stabil selama 286 jam saat menggunakan SDS sebagai dispersan. Pada tahun berikutnya, mereka membandingkan efek pada dispersi oleh tiga surfaktan yang berbeda termasuk SDBS, PVP, dan CTAB [78]. Dan mereka menemukan bahwa dalam ruang lingkup penelitian eksperimental ini, ketika rasio massa SDBS dan nanopartikel titanium dioksida adalah 0,3, mereka bisa mendapatkan dispersi nanofluida terbaik. Nakayama dan Hayashi [79] menggunakan metode dua langkah untuk membubarkan muatan TiO yang tinggi2 nanopartikel dalam cairan basa organik dengan bantuan modifikasi permukaan oleh asam propionat dan n-hexylamine. Mereka menemukan modifikasi permukaan dapat meningkatkan dispersi nanofluida, yang menunjukkan efek yang lebih baik pada metode dua langkah daripada metode satu langkah. Karakteristik TiO2 nanopartikel yang mereka buat tidak berubah, dan mereka dapat diterapkan dengan baik untuk cairan dasar pelarut organik yang berbeda.
Menyesuaikan Nilai pH
Metode dispersi kedua adalah mengatur lingkungan dispersi dengan mengatur nilai pH cairan dasar. Metode ini untuk melengkapi nanopartikel dengan potensi zeta yang lebih tinggi dengan menyesuaikan nilai pH cairan yang sesuai, yang diharapkan dapat menghindari kontak partikel nano dengan tolakan elektrostatik yang lebih tinggi [76]. Li dan Sun [80] menyelidiki pengaruh nilai pH pada perilaku agregasi TiO2 nanopartikel dalam cairan basa mono dan biner dengan SRFA dan Fe(III). Mereka menemukan bahwa adsorpsi SRFA sangat meningkatkan stabilitas suspensi TiO2 nanopartikel pada nilai pH 4, 6, dan 8, dan mereka berpikir bahwa ini terutama disebabkan oleh kenaikan tajam muatan negatif pada permukaan partikel. Dia dkk. [81] menemukan bahwa stabilitas TiO2 nanofluida dapat sangat ditingkatkan dengan menyesuaikan nilai pH cairan dasar menjadi 11, di mana potensi zeta tinggi 45 mV dapat dibentuk untuk mencegah aglomerasi dan deposisi ulang dan kemungkinan pengotoran berikutnya pada tabung tembaga. Nanofluida dengan nilai pH optimal dapat tetap stabil selama beberapa bulan. Juga, Vakili et al. [82] dan Sen dkk. [83] menyesuaikan nilai pH cairan dasar menjadi 11, dan mereka menemukan bahwa TiO2 nanofluida dapat memiliki stabilitas dispersi yang lebih baik dalam kondisi basa kuat ini.
Kegiatan Fisik
Metode dispersi ketiga sama saja dengan memecah aglomerasi partikel dengan cara fisik, misalnya agitasi mekanis, gelombang ultrasonik, dan penggilingan manik-manik yang diaduk. Metode-metode tersebut seharusnya menghasilkan osilasi kavitasi yang dapat menyebabkan efek geser, putus, dan dispersi [84]. Diakui secara universal dan terbukti bahwa nanofluida akan lebih stabil setelah getaran supersonik yang tepat dan dapat dibuktikan sekali lagi dengan ringkasan stabilitas dispersi TiO2 nanofluida. Dapat dilihat dari Tabel 2 bahwa hampir semua proses preparasi telah melibatkan beberapa perlakuan fisik. Li dkk. [85] TiO2 terdispersi2 nanopartikel ke dalam larutan MDEA untuk menyiapkan TiO2 –MEDA–H2 Oh nanofluida. Mereka menemukan bahwa nanofluida dapat tetap stabil selama 48 jam dengan pengadukan mekanis tanpa menambahkan dispersan. Tajik dkk. [86] menyelidiki efek dari jenis ultrasonik yang berbeda (pulsa kontinu atau terputus) pada perilaku penangguhan TiO berbasis air2 nanofluida. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pulsa kontinu memiliki efek pemutusan yang lebih baik daripada pulsa diskontinu, sedangkan pulsa diskontinu tidak dapat memisahkan beberapa agregasi besar. Silambarasan dkk. [66] menyelidiki secara eksperimental pengaruh penggilingan manik-manik yang diaduk dan ultrasonikasi pada perilaku suspensi campuran berbasis air yang mengandung submikron TiO2 partikel. Mereka menemukan bahwa penggilingan manik-manik yang diaduk dapat menghasilkan suspensi stabil yang mengandung partikel submikron, dan ultrasonikasi dapat diterapkan lebih lanjut untuk mengontrol perilaku pengangkutan TiO2 suspensi. Longo dan Zilio [87] membandingkan efek pengadukan mekanis dan gelombang ultrasonik pada perilaku dispersi TiO2 –air dan Al2 O3 -nanofluida air Mereka mengamati bahwa perlakuan sonikasi pada 25 kHz selama 48 jam menunjukkan efisiensi dispersi yang lebih baik daripada hanya pengadukan mekanis sederhana. Setelah perawatan dispersi fisik ini, kedua jenis nanofluida dapat tetap stabil selama lebih dari 1 bulan.
Penggunaan Kombinasi
Umumnya, kombinasi metode dispersi penambahan surfaktan, perubahan nilai pH cairan dasar, dan getaran ultrasound digunakan dalam metode dua langkah untuk mencapai kinerja dispersi nanofluida yang lebih baik. Liu dkk. [88] TiO2 terdispersi2 nanopartikel (25 nm) dalam air untuk menyiapkan TiO yang stabil2 nanofluida. Tiga perlakuan termasuk penambahan PEG1000 sebagai dispersan, getaran ultrasound, dan pengaturan nilai pH menjadi 4-5 atau 9-10 digunakan untuk mendapatkan TiO yang stabil2 nanofluida. Fedele dkk. [89] menggunakan metode dispersi kombinasi dengan menambahkan asam asetat sebagai pendispersi dan mengatur nilai pH ke kisaran dari 1,86 hingga 3,07 sesuai dengan fraksi massa nanopartikel serta sonikasi yang sesuai; mereka mengamati bahwa nanofluida dapat tetap stabil setidaknya selama 35 hari karena ukuran rata-rata partikel tetap konstan selama periode tersebut. Ghadimi dkk. [90] menyiapkan TiO berbasis air yang sangat stabil2 nanofluida dengan menambahkan asam asetat dan mengatur pH menjadi 5 serta getaran ultrasonik. Mereka menemukan TiO2 nanofluida masih tersuspensi secara stabil setelah 1 tahun penyimpanan. Ada juga beberapa contoh lain untuk penggunaan gabungan dari ketiga teknik tersebut. Dapat ditemukan dari Tabel 2 bahwa Mo et al. [77, 78], Kim dkk. [91], Mushed dkk. [92], Jarahnejad dkk. [93], Ghadimi dkk. [90], dan Said dkk. [94] menggunakan ketiga teknik dispersi untuk mencapai efek dispersi terbaik.
Namun, perubahan nilai pH cairan dasar akan sangat membatasi jangkauan aplikasi TiO2 nanofluida sebagai fluida termal karena korosi dan keamanan dalam kondisi asam dan basa. Oleh karena itu, lebih banyak peneliti lebih cenderung menggunakan dua teknik dispersi lainnya yaitu. menambahkan dispersan dan sarana fisik untuk aplikasi potensial dalam sistem aktual. Wu dkk. [95] dan Yang dkk. [74] dimaksudkan untuk menerapkan TiO2 nanofluida ke sistem pendingin penyerapan amonia-air. Metode untuk mengubah nilai pH tidak tersedia karena cairan dasar memiliki kisaran pH tertentu yang ditentukan oleh konsentrasi amonia. Oleh karena itu, mereka menggunakan PAA atau PEG1000 sebagai dispersan yang dikombinasikan dengan getaran ultrasonik untuk meningkatkan stabilitas TiO2 nanofluida dan mencapai efek yang baik. Untuk menerapkan nanofluida pada sistem refrigerasi kompresi, Peng et al. [96] menambahkan TiO2 nanopartikel ke dalam R141b untuk menyiapkan nano-refrigeran dengan ukuran partikel masing-masing 25, 40, 60, dan 100 nm. Nano-refrigeran disonikasi menggunakan prosesor ultrasonik selama 20 menit. Dan mereka menganggap langkah ini penting untuk mencapai dispersi yang baik untuk nanopartikel dalam refrigeran curah. Juga, mereka mempelajari secara eksperimental pengaruh surfaktan anionik, kationik, dan nonionik pada stabilitas nano-refrigeran. Dan mereka mengamati bahwa jenis surfaktan merupakan faktor penting pada ukuran partikel kondisi tunak. Kayhani dkk. [97] menggunakan surfaktan heksametildisilazana dan metode getaran ultrasonik disiapkan TiO kering2 nanopartikel terlebih dahulu kemudian ditambahkan ke dalam air suling dengan perlakuan getaran ultrasonik (400 W dan 24 kHz) selama 3-5 jam. Mereka menemukan bahwa nanofluida yang disiapkan dapat tetap stabil selama beberapa hari dan tidak terjadi sedimentasi. Yang dkk. [98] menemukan bahwa penggunaan surfaktan SDBS pada rentang konsentrasi rendah dan getaran ultrasonik dapat meningkatkan perilaku suspensi TiO berbasis amonia-air2 nanofluida.
Metode Pascaperawatan
Selain metode satu langkah atau dua langkah konvensional, beberapa metode pasca perawatan untuk pembuatan nanofluida juga diusulkan. Beberapa nanofluida yang terdispersi lebih baik dapat diperoleh dari beberapa fluida mentah yang terdispersinya buruk yang mengandung partikel nano yang diaglomerasi melalui beberapa perlakuan khusus, seperti memecah atau menghilangkan partikel nano yang diaglomerasi dari fluida mentah.
Hwang dkk. [99] mengamati bahwa efek pengaduk, rendaman ultrasonik, dan pengganggu ultrasonik terbatas untuk meningkatkan dispersi nanofluida. Mereka menggunakan homogenizer bertekanan tinggi untuk menarik kembali nanofluida, dan prosesnya dapat dilihat pada Gambar 7. Dalam penelitian mereka, diameter rata-rata awal partikel dapat dikurangi setidaknya satu urutan besarnya setelah perlakuan ulang dengan homogenizer bertekanan tinggi. Dan mereka menemukan bahwa homogenizer bertekanan tinggi menunjukkan efek terbaik di antara semua sarana dispersi fisik yang digunakan dalam penelitian mereka.
Diagram skema homogenizer tekanan tinggi untuk memproduksi nanofluida [99]. Direproduksi dengan izin dari Elsevier
Yang dkk. [100] menggunakan metode pengoptimalan untuk menyiapkan nanofluida. Proses optimalisasi peningkatan dispersi nanofluida ditunjukkan pada Gambar. 8. Mereka menghilangkan nanofluida yang tersuspensi dengan baik dari sebagian besar nanofluida terkonsentrasi lebih tinggi dan kemudian mengembalikan bagian yang dihilangkan ke konsentrasi yang diperlukan dengan pengenceran penambahan cairan dasar. Rasio pengenceran didasarkan pada properti jika serapan nanofluida berbanding lurus dengan konsentrasinya. Dan mereka mengamati sedimentasi dan mengukur berbagai daya serap untuk memperkirakan efek dari metode tersebut. Hasil penelitian menunjukkan bahwa untuk rutil dan anatase TiO2 nanofluida, metode yang dioptimalkan dapat sangat meningkatkan dispersinya dan menghasilkan TiO yang lebih stabil2 nanofluida.
Mengoptimalkan proses peningkatan dispersi nanofluida [132]. Direproduksi dengan izin dari Taylor &Francis
Ada beberapa kontroversi atau inkonsistensi dalam argumen persiapan nanofluida. Pertama, apakah akan mengadopsi metode satu langkah atau metode dua langkah adalah inkonsistensi. Metode satu langkah diharapkan dapat mencapai stabilitas dispersi yang lebih baik karena menghindari proses pengeringan dan pendispersian nanopartikel. Namun, untuk efek samping dari metode satu langkah seperti produk sampingan, lingkungan larutan khusus tampak lebih fatal yang sangat membatasi ruang lingkup aplikasi nanofluida. Oleh karena itu, metode dua langkah lebih banyak digunakan karena kemampuan beradaptasi yang besar dan peningkatan substansial dalam teknik dispersi TiO2 nanopartikel. Overall, two-step method is recommended to be employed with appropriate post-treatment for the preparation of TiO2 nanofluids.
Another controversy is whether surfactant should be used in the preparation of nanofluids. The presence of appropriate surfactant can improve the dispersion stability but also may bring some side effects such as a decrease in thermal conductivity, increases in viscosity, and foaming ability. Due to the potential advantages such as reduction in surface tension and improvement in re-dispersible property, the surfactant with low concentration is suggested to be used when it not brings obvious decrease in thermal conductivity or increase in viscosity and foaming ability. In addition, the influence of surfactant on thermal conductivity and viscosity of nanofluids is also a controversy in current studies.
Stability of Nanofluids
Stability research is generally followed the preparation to achieve the optimal dispersion craft since it is closely related to the effectiveness and practicability of nanofluids. The great amount of aggregations in the unstable nanofluids can easily cause sedimentation and adsorption on the inner surface of the system, which will probably result in the degradation of heat transfer efficiency, raising of pumping power, and even blocking up in system pipe blocks.
It can be found from Table 2 that the stable times of different researchers thought were variously distributed in the range of several hours to 1 year. A most stable nanofluid was obtained by a combined use of adding surfactant, controlling pH value, and ultrasonic vibration by Ghadimi et al. [90]. Also, the particles’ loading in their experiment was very low at 0.1 wt.%, which was also another contribution for the long-term stability. Without adding surfactant, the nanofluids can also achieve a better dispersion stability by adjusting the pH value of the liquid to a suitable value. For example, He et al. [81] and Longo et al. [87] observed that the TiO2 nanofluids can keep stable for months by adjusting the pH to 11 with the help of ultrasonic vibration. Also, some TiO2 nanofluids with good dispersion stability were prepared only through physical means in some research. Padmanabhan et al. [101] used a magnetic stirring to prepare R134a and mineral oil-based TiO2 nanofluids that can keep stable for 6 months. This is likely because the particles’ loading employed in their study is very low (0.1 g/L) and the high viscosity of the R134a and mineral oil base fluid can also provide a superior dispersion condition. This conclusion can also serve as proved by Palabiyik et al.’s results [102]. They obtained a TiO2 nanofluids stable for several months by the help of sonication with a higher viscosity propylene glycol as base fluid. The similarity is that they were both using organic solvent of high viscosity as base fluids and the best ones was only treated by physical means. Also, it can be seen that TiO2 nanoparticles have a comprehensive dispersivity in both polar aqueous solution and nonpolar organic solution.
However, the above judgments on dispersion stability of various TiO2 nanofluids are not very objective and accurate because most of the results showed the least stable time. Moreover, there is no uniform standard for evaluating the stability of nanofluids, and the stability evaluating methods in different research were sufficiently different. Current evaluation methods of stability of nanofluids mostly consisted of observing the stratification or sedimentation and testing the zeta potential, particles’ size, or absorbency. Mansel et al. [103] used the sedimentation observation method and zeta potential method to evaluate the stability of TiO2 –water nanofluids in different pH values. They observed that in low or high pH value, the TiO2 –water nanofluids can obtain good stability. Mo et al. [78] used zeta potential method to investigate the stability of TiO2 –water nanofluids with three different surfactants SDBS, PVP, and CTAB, respectively. By comparing the value of zeta potential, they obtained the optimal kind of surfactant and the best dispersion of nanofluid. Wei et al. [104] used sedimentation, zeta potential (ζ), and size analysis to evaluate the stability of diathermic oil-based TiO2 nanofluids. They found that there was not obvious sedimentation and the zeta potential (ζ) and size analysis also showed good results. They thought the TiO2 nanofluids they prepared were very stable and can be used to enhance heat transfer for a fluid system. Li dkk. [105] used sedimentation observation to investigate the stability of TiO2 –MDEA–water nanofluids. They found that after a specific period of mechanical agitation, the sedimentation was reduced and the stability of nanofluids was improved. However, the ultrasonic vibration will deteriorate the stability of TiO2 –MDEA–water nanofluids. For this reason, only mechanical agitation was employed in their research. Yang et al. [74] investigated the dispersion behavior of 20 types of nanoparticles in binary base fluid of ammonia–water by measuring the absorbency of nanofluids, and they defined ratio of varying absorbency to quantitatively compare the suspending stability of different kinds of nanoparticles, dispersant, and base fluid mixtures. They observed that the new defined index was more applicable than conventional means because it could directly compare the suspending behavior of various kinds of nanofluids. While the method of observing the stratification or sedimentation is restricted for nanofluids in different colors or without distinctly stratification after standing. The results showed that the anatase and rutile TiO2 nanofluid were the most stable metal oxides without any surfactant. And when adding optimal dispersant, anatase TiO2 nanofluid was still the most stable one.
Generally, the combination of several stability evaluating methods is employed to investigate the stability of nanofluids more accurately. Silambarasan et al. [66] used method of measuring the particle size distribution, zeta potential, and microscopy of grain size methods to characterize the suspending stability of TiO2 nanofluids. By those methods, they prepared remarkably stable TiO2 nanofluids whose absorbency changed very little after 10 days. Tajik et al. [86] used sedimentation observation and microscopy of grain size to investigate the roles of ultrasonic wave types on the suspending behavior of nanofluids. And they found that the pulses in discontinues type could not smash some big clusters or aggregations since the sedimentation occurred after 48 h of storage.
Physical Properties of TiO2 Nanofluids
The physical properties of TiO2 nanofluids are focused on the viscosity and thermal conductivity. Also, a few papers investigated the surface tension. Using nanofluids to enhance the thermal conductivity is a typical application in heat transfer filed. Therefore, the thermal conductivity of TiO2 nanofluids will be introduced in part 2 of the reviews. In part 1, the viscosity and surface tension are introduced as follows.
Viscosity
Viscosity is an essential parameter for nanofluids especially for flow and heat transfer applications because both the pressure drop and the resulting pumping power are depended on the viscosity. Viscosity describes the internal resistance of a fluid to flow, and it is an important property for all thermal and flow applications for nanofluids. The nanofluids with higher viscosity will result in higher flow resistance and lower flow velocity, which also induce the decrease of the heat transfer. To obtain flow velocity and heat transfer efficiency, more pumping powers are needed which induce more energy consumption. Moreover, for some mass transfer application of nanofluids, viscosity plays more important roles than thermal conductivity because the viscosity determines the mass transfer resistance of molecules entering the liquid surface and the diffusion coefficient in the liquid. Murshed and Estellé [106] provide a state-of-the-art review on the viscosity of various nanofluids. They found that the experimental data from various literatures are greatly scattered and not consistent even for the same nanofluids. This review will discuss in detail the influence factors on the viscosity of TiO2 nanofluids to provide an exhaustive knowledge on this topic.
Particle Loading Effect
Many literatures have concerned the volume concentration effect on the viscosity of TiO2 nanofluids. Table 3 shows the particle loading dependence of the viscosity of TiO2 nanofluids in different research. It can be observed that the viscosity of the TiO2 nanofluids increases with the increase of the particle loading. However, some works showed that the viscosity ratio varies linearly with variation of volume concentration, but some other results showed the viscosity ratio variation is parabolic. The viscosity enhancements of TiO2 nanofluids were greatly distinguishing in various researches. For example, in Vakili et al. [82], Arulprakasajothi et al. [107], Duangthongsuk and Wongwises [108], Saleh et al. [109], and Mahbubul et al.’s [110] results, the increments of viscosity were below ten times of the volume percentage of the added particles. However, He et al. [111] and Turgut et al.’s [112] results showed that the viscosities were increased by more than 100 times of the volume percentage of the TiO2 particles added. There are also many results distributed between the values in the above two extreme cases. Therefore, it can be concluded that the influence of particle loading on the viscosity of TiO2 nanofluids is more complex than that on thermal conductivity due to the widespread data in various studies.
Temperature Effect
Besides the volume concentration effect, the temperature effect on the viscosity of TiO2 nanofluids is also widely studied by many researchers. He et al. [111] prepared four different concentration TiO2 –H2 O nanofluids with 20 nm TiO2 and measured the viscosities of TiO2 –H2 O nanofluids and deionized water with different temperatures. They observed that the TiO2 –H2 O nanofluids were Newtonian fluids, which were the same as Chang and Liu’s finding [69], and the viscosities varied inversely with the temperature of the TiO2 –H2 O mixture system. Ling et al. [113] also measured the viscosities of the TiO2 –H2 O nanofluids with different mass fractions, when temperature varied from 15 to 40 °C. They found that the viscosity of the nanofluids increased when fluids thicken and decreased with the increment of the temperature exponentially. Liu et al. [114] figured that the viscosities of TiO2 –H2 O nanofluids increase remarkably with the volume fraction of nanoparticles and vary oppositely to the temperature of the TiO2 –H2 O nanofluids greatly with similar experimental method. Based on the value of the viscosities, they also propose an amended suspension viscosity formula. Some research results showed that the viscosity of nanofluids is a function of volume loading and temperature as well as base fluid viscosity. Yiamsawas et al. [115] measured the viscosity of TiO2 –water with a volume loading varied from 1 to 8% at a high-temperature range of 15 to 60 °C. By comparisons with previous studies, they proposed a useful correlation for practical applications which indicated that the viscosity of nanofluids is a function of volume loading and temperature as well as the base fluid’s viscosity.
Comparing with the absolute viscosity, the varieties of relative viscosity at different temperatures were more impressive for researchers. Jarahnejad et al. [93] carried out a detailed study on the effect of temperature on the viscosity and the relative viscosity of TiO2 masing-masing. And the results are shown in Fig. 9. It can be found that compared to base water, the average viscosities of TiO2 nanofluids increased by 17, 50, and 78% for 3, 6, and 9 wt.% of particles’ loading, respectively, at 20 °C. The viscosity of nanofluids with different particle loading decreased as the temperature increased, while the relative viscosity remained nearly constant with the temperature. The observation of independent of temperature can be also included in some other research. Fedele et al. [89] presented the characterization of water-based nanofluids where TiO2 ranging between 1 and 35% in mass. They concluded that the relative viscosity was independent from temperature for all the particle loading employed. And the nanofluids at 1 wt.% exhibited a water-like behavior within the experimental error. But this observation was invalid at the higher concentrations (+243% for 35 wt.% at 343 K). Also, Silambarasan et al. [66] found that the temperature has a smaller effect on the relative viscosity since the viscosity of TiO2 suspensions was reproducible even after repeated and alternating heating and cooling processes. And they attributed the reason to the effect of particles’ temperature-dependent intermolecular forces in the suspension. However, some different results can also be observed. Teng et al. [116] found that the relative viscosity increased from 8.2 to 16% when the temperature varied from 10 to 40 °C for the TiO2 nanofluids with 0.5 wt.% of particle loading. Cieśliński et al. [117] found that the relative viscosity of thermal oil-based TiO2 nanofluids remained constant when the temperature varied from 20 to 40 °C, but had a nearly linear increase with the increase of temperature when exceeding 40 °C. Yapici et al. [118] observed that the effect temperature was different for different shear rate. The relative viscosity measured was independent of the temperature at a higher shear rate region. However, for lower shear rate region, a great temperature dependency behavior of viscosity of TiO2 nanofluids was exhibited especially at high temperatures
Dynamic viscosity (a ) and relative viscosity (b ) for TiO2 water-based nanofluids at different temperatures [93]. Reproduced with permission from Springer
Particle Size and Shape Effect
The particle size and shape effects on the viscosity of TiO2 nanofluids were not investigated as widely as that of particles’ loading or temperature. In particular, Chen et al. [64, 119] investigated experimentally the viscosity of spherical (25 nm) and rod-like (10 × 100) TiO2 nanoparticle-based nanofluids with water and EG as base fluid, respectively. They found that the viscosity of TiO2 nanofluids was more sensitive to the rod-like particles than spherical particles. It can be seen from Table 3 that the viscosity was increased by 0.5–23% when adding 0.1–1.86 vol.% of spherical TiO2 nanoparticles, while increased by 1–82% when adding 0.1–0.6 vol.% of rod-like TiO2 nanoparticles. The same observation can also be found for EG-based nanofluids.
Surfactant Effect
The surfactants have been observed to have great effects on the viscosity of TiO2 nanofluids in some recent research. Jarahnejad et al. [93] investigated the effect of two kinds of surfactant trioxadecane acid and poly carboxylate on the viscosity of TiO2 nanofluids respectively. Their results of the dynamic viscosity of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature are shown in Fig. 10. The results demonstrated only a very slight increase was found in the viscosity of nanofluids even with the highest particle loading viz. 9 wt.%. However, the two kinds of surfactants could greatly increase the viscosity of nanofluids in the temperature range of 20–50 °C, especially for trioxadecane acid. The similar effect of surfactant on viscosity can also be observed in Ghadimi and Metselaar’s report [90], in which they found SDS can also increase the viscosity of TiO2 nanofluids with 0.1 wt.% particle loading. It was also observed there were important roles of SDS in the long-term dispersion stability of TiO2 nanofluids. Therefore, they still suggested that the dispersion method of adding surfactant and ultrasonic vibration to be adopted in the preparation of nanofluids.
Dynamic viscosity of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature [93]. Reproduced with permission from Springer
However, the above results cannot prove that all kinds of surfactant will result in high viscosity for nanofluids. Figure 11 shows the viscosity of TiO2 nanofluids with PEG600 as surfactant measured by Bobbo et al. [120]. It can be seen that the viscosity of base water will not increase but decrease slightly when adding PEG600 at 0.02 or 0.2% loadings. Also, the viscosity of nanofluid containing 0.01% TiO2 nanoparticles and 0.02% PEG600 was a little lower than that of the base water. However, for higher loading of PEG, the viscosity will be greatly increased whether or not containing nanoparticles. It can be seen from Fig. 11 that the nanofluids containing 2% PEG600 and 1% TiO2 nanoparticles showed a viscosity higher than 7% in respect to water, which was analogous at each temperature. The above observation showed the viscosity of nanofluids can be lower than the base fluid in some cases, which also occurred in SWCNT nanofluids in their experiment. The decline of viscosity of fluid when adding surfactant or nanoparticles was also been found in some other research. Yang et al. [121] found that emulsifier OP-10 can reduce the viscosity of ammonia–water in lower concentrations. Ling et al. [122] observed that adding SDBS or OP-10 in TiO2 nanofluids with a lower loading can induce a slight drop in viscosity. Therefore, it is an important issue to choose the suitable surfactants to improve the dispersion stability without increasing the viscosity significantly.
The viscosity of TiO2 nanofluids with PEG600 as surfactant [120]. Reproduced with permission from Elsevier
Base Fluid Effect
The information about base fluid effect on viscosity can be illuminated though Chen et al.’s study [119], in which they found the relative increments of viscosity of water-based TiO2 nanofluids were distinctly higher than that of EG based. It seemed that the higher viscosity the base fluid could result in lower increment in viscosity. Mahbubul et al. [110] found that the viscosity of R123 was increased by only 5.2% when adding 2 vol.% TiO2 nanoparticles. Sen et al. [78] and Yapici et al. [118] found relative increments of viscosity about 20 times of the particles’ volume percentages. It also seems that TiO2 nanoparticles are more suitable in the organic liquid because a lower relative increment in viscosity can be obtained especially at the higher temperature. Yiamsawas et al. [123] conducted experiments on a mixture with TiO2 nanoparticles and EG/water (20/80 wt.%) in which the volume loading ranged from 0 to 4% and temperature ranged from 15 and 60 °C. They used the experimental data to present a useful correlation to predict the viscosity.
Shear Rate Effect
Another main distinction on the viscosity of TiO2 nanofluids in different research is that whether the fluids were Newtonian fluids in different shear rates. A typical Newtonian nanofluid can be found in foregoing Fig. 11. However, it can be observed from Table 3 that more than half of the results showed that the TiO2 nanofluids in their work are Newtonian fluids, but some others come to the opposite conclusion. Research on rheological characteristic has demonstrated that whether or not the TiO2 nanofluids exhibit Newtonian behavior is also affected by other factors, including the base fluid type, temperature, and particle loading. A quintessential example can be found in Chen et al.’s research [64], where they measured the viscosity of four types of nanofluids made of TiO2 nanoparticles (25 nm) and TiO2 nanotubes (10 nm × 100 nm) dispersed in water and EG. They found that EG–TiO2 nanofluids exhibited Newtonian behavior, whereas water–TiO2 , water–TNT, and EG–TNT nanofluids exhibited non-Newtonian behavior. They indicated that the rheology behavior of TiO2 nanofluids is affected by their specific ingredient and environment, such as particles’ shape and liquid circumstance. The rheological characteristic of TiO2 nanofluids is also related to the temperature. Yapici et al. [118] investigated the rheological characteristic of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature. The results are shown in Fig. 12. It can be observed that the base fluid PEG was a typical Newtonian fluid in all kinds of temperature. However, TiO2 –PEG200 nanofluids were nearly Newtonian fluid at a lower temperature and higher shear rate, but it changed into non-Newtonian fluid at higher temperature and lower shear rates. Also, in Said et al.’s results [94], the TiO2 nanofluid with 0.1 vol.% loading was Newtonian fluid at 55 °C, whereas it was non-Newtonian below this temperature for 0.3 vol.% particle loading.
Shear rate dependency of viscosity as a function of temperature for 5 wt.% TiO2 –PEG200 nanofluids [118]. Reproduced with permission from Springer
Running Time Effect
When the nanofluids are actually used in a running system, the time-dependent properties of nanofluids should be a crucial issue for the sustainable application. However, this matter has not been widely studied because of the faultiness in the development of nanofluids. It is generally considered that the thermal and rheological properties of nanofluids will be deteriorated due to the aggregation of nanoparticles after running a long time in the system. However, an opposite result in the time-dependent viscosity of TiO2 nanofluids can be observed in Said et al.’s research [94]. Their results for viscosity of TiO2 –water nanofluid with different volume loading and temperature as well as running time are shown in Fig. 13. It can be observed that the viscosity of fresh samples and the stale samples after running in a flat plate solar collector for 1 month were distinctly different. The viscosity of TiO2 nanofluids was decreased after undergoing the alternative variations in temperature and flow rate in the cycle. This observation was quite interesting and could not be explained anywhere else in the literature. They thought this finding could open new research scope for the applications of nanofluids for a long-term use.
Viscosity of TiO2 –water nanofluid with different volume concentrations and different temperatures [94]. Reproduced with permission from Elsevier
An inconsistency in viscosity of TiO2 nanofluids is quite evident. The intensities of growth in viscosity of TiO2 nanofluids with particle loadings greatly differ in various studies. And there is not yet a universal agreement on the effect of temperature, base fluid, and surfactant on viscosity of TiO2 nanofluids. Moreover, the biggest controversy on viscosity of nanofluid is that whether nanofluid is Newtonian fluid or not. The results in Table 3 exhibit that a substantial part of TiO2 nanofluids in their work are Newtonian fluids, but also, some others exhibit non-Newtonian behavior. The pronounced differences in different samples are mainly due to the complex influence factors on the rheological property. The shear rate has been proved to have great effect on the rheological property, and also, it has combined effect with other factors including temperature, shearing time, particle loading, base fluid type, and particle shape [124], which make it rather difficult to predict whether a nanofluid is Newtonian fluid or not except by experimental means.
Surface Tension of Nanofluids
The research on surface tension of TiO2 –H2 O nanofluids is much less than that of thermal conductivity or viscosity. Some results showed that adding TiO2 nanoparticles had little effect on the surface tension of nanofluids. Liu et al. [125] prepared TiO2 –H2 O nanofluids whose particle size ranged from 11 to 50 nm and the surface tensions TiO2 –H2 O nanofluids were investigated experimentally. They found the surface tension had no obvious change with the increase in particle loading because the surface tension of nanofluids (1% mass fraction) increased only 1.6% compared with deionized water. Hu et al. [126] found the surface tension of TiO2 –H2 O nanofluids increases slightly when adding nanoparticles. And the surface tension decreased as an increase in temperature. Buschmann and Franzke [127] found that no obvious variation occurs when adding a high-volume fraction (5 vol.%) of TiO2 nanoparticles in water. Tian and Wang [128] measured the surface tension of TiO2 –water nanofluids by Jolly balance and abruption method. They found that the surface tension behavior of TiO2 –water nanofluid was the same as water viz. the surface tension decreased as the temperature increases. However, the variation of surface tension is related to the content of nanoparticles. When the content of nanoparticles increases rapidly, the decrease rate of surface tension of TiO2 –water nanofluids will slow down. Yang et al. [129] observed that nanoparticles have little effect but the surfactant can greatly change the surface tension of nanofluids, when the loading of surfactant is below the critical micelle concentration (CMC). And they explained this appearance as follows:The effect of surfactant on the surface tension of liquid is much greater than that of nanoparticles. When adding nanoparticles into a fluid containing surfactant whose loading is below CMC, the “free” surfactant will be absorbed on the surface of nanoparticles and then immersed in the liquid, which can weaken the reducing effect of surfactant on the surface tension of liquids.
However, some results also revealed that the nanoparticles played an indispensable role in the surface tension of nanofluids. Chinnam et al. [130] measured the surface tensions of Al2 O3 , ZnO, TiO2 , and SiO2 nanofluids with a mixture of 60% propylene glycol and 40% water as base fluids, respectively. They only used one average particle size of 15 nm for TiO2 nanofluid due to limiting of manufacturer. They presented a single correlation as a function of volume loading and particle size as well as temperature for all the nanofluids by statistical analysis based on the experimental results. The experimental and fitting results related to TiO2 nanofluids are shown in Fig. 14. It was observed that the surface tension of nanofluids decreased as the temperature and particle volume loading increase and the correlation perfectly fitted the experimental data. In addition, they also observed that the surface tension decreased as the particle size decrease for a certain loading and temperature of nanofluids except the ZnO nanofluid.
Variation of measured surface tension values of the TiO2 nanofluids with temperature [130]. For different volumetric concentrations up to 1.5% and containing 15 nm particles. Reproduced with permission from Elsevier
Although the surface tension study of nanofluid is not as prevalent as studies in thermal conductivity or viscosity, surface tension is also an important parameter which can affect the film flow especially the initial infiltration of film and the probability of forming channel flow. Due to the effect of surfactant on surface tension of nanofluids is greater than nanoparticles, some researchers thought that the reduction in surface tension by surfactant SDBS can produce a superior enhancement of pool boiling performance in R141b-based nano-refrigerant [131].
Conclusions
The first part of the review focuses on the preparation and two properties viz. viscosity and surface tension of TiO2 nanofluids. It can be concluded that although one-step method is expected to achieve better dispersion stability, the side effects of the one-step method such as producing by-product and requiring special solution environment seem more fatal because they severely restrict the application scope of nanofluids. Suitable treatments such as adding dispersant, adjusting pH values, and physical means (stirring and sonication) used singly or in combination can greatly improve the dispersion stability. And the two-step method is recommended to be employed with appropriate post-treatment for the preparation of TiO2 nanofluids.
Particle loading is positively correlated to the viscosity, but the effects of other factors are not unified. The viscosities greatly differ in different researches which make the viscosity models hard to predict the experimental value, and hence, the experimental mean is firstly recommended. The surface tension of TiO2 nanofluids is more sensitive to surfactant than nanoparticles. The surfactant with low concentration is suggested to be used when it not brings obvious increase in viscosity and foaming ability due to the potential advantages such as reduction in surface tension and improvement in re-dispersible property.
