Nanopartikel Al₂O₃ dan SiO₂ dengan Ultrasuara Secara Signifikan Mengurangi Supercooling Air

Abstrak

Nanopartikel Al₂O₃ dan SiO₂, bersama dengan ultrasound, digunakan untuk menurunkan derajat supercooling air. Penelitian memeriksa bagaimana konsentrasi nanoparticle, sudut kontak, dan intensitas ultrasonik mempengaruhi supercooling, sambil memantau stabilitas dispersi nanoparticle selama pengerekan. Hasil menunjukkan bahwa penggunaan gabungan ultrasound dan nanoparticle mengurangi supercooling lebih efektif daripada perlakuan tunggal. Pengurangan meningkat seiring dengan intensitas ultrasonik dan konsentrasi nanoparticle yang lebih tinggi, serta sudut kontak nanoparticle yang lebih rendah. Namun, efek gabungan tidak pernah melebihi jumlah efek individual, dan dalam beberapa kasus bahkan lebih kecil dari efek ultrasound saja. Mempertahankan dispersi nanoparticle memerlukan perlakuan gabungan ungguli ultrasound saja; jika tidak, agregasi terjadi, mengurangi manfaatnya. Rentang optimal konsentrasi nanoparticle, sudut kontak, dan intensitas ultrasonik yang mencapai supercooling rendah dan dispersi stabil telah diidentifikasi, dan mekanisme di baliknya dibahas.

Pendahuluan

Penyimpanan energi adalah teknologi kunci untuk mengatasi masalah lingkungan, krisis energi, dan biaya operasional tinggi. Penyimpanan energi termal kalor laten (LHTES) menawarkan kepadatan penyimpanan volumetrik yang tinggi, terutama ketika air digunakan sebagai materi perubahan fase. Namun, kecenderungan air untuk supercooling selama pengerekan membatasi efisiensi praktisnya: selisih suhu yang lebih besar diperlukan antara pengisian dan pengeluaran, mengurangi performa sistem secara keseluruhan. Oleh karena itu, meminimalkan supercooling air sangat penting untuk kemajuan LHTES.

Nanopartikel banyak digunakan sebagai agen nukleasi untuk mengontrol supercooling. Oksida logam hidrofilik seperti TiO₂, Al₂O₃, dan CuO, serta nanomaterial karbon hidrofobik, dapat menurunkan hambatan energi bebas Gibbs untuk nukleasi es dengan menyediakan situs berluas permukaan tinggi. Studi menunjukkan bahwa nanoparticle dengan luas spesifik tinggi (misalnya, nanoplatelet grafena pada 0,02 wt.%) dapat menghilangkan supercooling, sedangkan TiO₂ pada 1,0 wt.% hanya menguranginya sekitar 70 %. Akibatnya, menambah jumlah situs nukleasi lebih efektif daripada hanya meningkatkan hidrofilisitas.

Namun, nanoparticle dengan luas tinggi cenderung mengagregasi, terutama di atas 1,0–2,0 wt.%, mengurangi performa termal jangka panjang. Ultrasound telah muncul sebagai strategi alternatif: kavitasi akustik dapat bertindak sebagai situs nukleasi atau menghasilkan fluktuasi tekanan yang memicu pembentukan es. Meskipun mekanisme yang tepat masih diperdebatkan, bukti menunjukkan bahwa ultrasound mengurangi supercooling dengan menciptakan atau merusak mikrogelembung.

Karya sebelumnya yang menggabungkan nanopartikel oksida grafen dengan ultrasound menunjukkan penurunan sinergis supercooling, namun fenomena ini belum sepenuhnya dijelaskan. Studi kami sendiri dengan nanopartikel TiO₂ menunjukkan bahwa ultrasound tidak hanya menurunkan supercooling tetapi juga mempromosikan agregasi nanoparticle pada daya tinggi. Oleh karena itu, diperlukan investigasi sistematis terhadap nanopartikel Al₂O₃ dan SiO₂, yang hidrofilik dan dapat tetap stabil dalam air, untuk mengklarifikasi bagaimana konsentrasi nanoparticle, sudut kontak, dan intensitas ultrasonik secara bersama mempengaruhi supercooling dan dispersi.

Eksperimen

Nanopartikel Al₂O₃ dan SiO₂ (Aladdin Chemical Reagent Co. Ltd.) dipilih karena affinitas air yang kuat. Sudut kontak diukur menggunakan metode titik jatuh statis dengan goniometer DataPhysics OCA40 Micro; lima replikasi menghasilkan variansi <1 % (Gambar 1). Suspensi disiapkan dalam air deionisasi (pH 8, disesuaikan dengan NaOH) tanpa surfaktan. Nanopartikel dispersi dengan sonikasi 1 jam (Sonics Vibra-Cell, 600 W, 20 kHz). Konsentrasi 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, dan 1,0 wt.% diteliti.

Potensi zeta melebihi ±30 mV di semua konsentrasi, mengonfirmasi stabilitas elektrostatis. Citra TEM (Gambar 1b) mengonfirmasi dispersi seragam, dan suspensi tetap stabil selama 4 hari tanpa pengendapan.

Alat pengerekan (Gambar 2a) terdiri dari kolam termostatis (CDC-1), generator ultrasound (Sonics Vibra-Cell JY88-IIN), pencatat data suhu (Agilent 34970A), dan PC untuk pemantauan real-time. Sampel (sekitar 20 mL) ditempatkan 2 inci dari sumber ultrasound yang ditempatkan vertikal. Pendinginan ke −20 °C dilakukan dengan intensitas ultrasonik antara 0,14 hingga 1,27 W cm⁻² (siklus kerja 80 %). Ultrasound diterapkan setelah sampel mencapai 0 °C dan berhenti saat nukleasi es terjadi; total paparan <2 menit, yang tidak berpengaruh pada transfer panas.

Kurva pendingin dicatat menggunakan termokopel T-tipe tembaga-konstanan (±0,2 °C). Setiap kondisi diulang ≥15 kali; deviasi ±1,5 %.

Status gelembung kavitasi dievaluasi melalui metode kapiler. Absorbansi UV-vis sebelum dan setelah pengerekan/lelehkan mengukur dispersi nanoparticle (lima replikasi). Semua data dirata-rata.

Hasil dan Pembahasan

Supercooling dengan Nanopartikel atau Ultrasound Saja

Gambar 3 menunjukkan rasio R₁ = ΔT_N/ΔT_W untuk berbagai konsentrasi nanoparticle. Air murni menunjukkan ΔT_W ≈ 11,6 °C. R₁ < 1 dan menurun seiring konsentrasi, mengonfirmasi bahwa Al₂O₃ dan SiO₂ bertindak sebagai nukleator efektif. Al₂O₃ mencapai pengurangan 37,4 % pada 0,6 wt.%, sedangkan SiO₂ mencapai 28,3 % pada konsentrasi yang sama; peningkatan SiO₂ ke 0,8 wt.% mencapai performa Al₂O₃ (37,1 %). Oleh karena itu, konsentrasi yang lebih tinggi mengkomensasi sudut kontak yang lebih besar.

Untuk ultrasound saja, rasio R₂ = ΔT_U/ΔT_W turun di bawah 1, dengan pengurangan terbesar 83,1 % pada 1,27 W cm⁻², menggambarkan peran nukleasi yang kuat dari kavitasi akustik.

Efek Gabungan Nanopartikel dan Ultrasound

Gambar 4 menyajikan R₃ = ΔT_N-U/ΔT_W, menunjukkan bahwa perlakuan gabungan selalu menurunkan supercooling relatif terhadap kontrol. Tingkat pengurangan tergantung pada konsentrasi nanoparticle, intensitas ultrasonik, dan sudut kontak. Misalnya, pengurangan 63,7 % diamati dengan 0,2 wt.% Al₂O₃ pada 1,27 W cm⁻²; pada intensitas yang sama, pengurangan 58,1 % terjadi ketika Al₂O₃ meningkat dari 0,2 ke 1,0 wt.%. Al₂O₃ konsisten ungguli SiO₂ pada kondisi yang setara karena sudut kontaknya lebih kecil.

Perbandingan Perlakuan Terpisah dan Gabungan

Pengurangan gabungan tidak pernah melebihi jumlah efek individual; dalam beberapa kasus, lebih rendah. Misalnya, pada 0,6 wt.% Al₂O₃ dan 0,69 W cm⁻², pengurangan gabungan (70,6 %) lebih kecil dari pengurangan individual yang digabungkan (37,4 % + 52,1 %). Sebaliknya, efek gabungan selalu melebihi efek nanoparticle saja, dan dapat lebih besar atau lebih kecil dari efek ultrasound saja tergantung pada parameter.

Gambar 6 memetakan batas kritis di mana R₄ = 1. Di atas garis merah (zona negatif), R₄ > 1; di bawahnya (zona positif), R₄ < 1. Batas bergeser ke konsentrasi yang lebih tinggi dan intensitas yang lebih rendah seiring peningkatan sudut kontak, menyusutkan zona positif untuk SiO₂ relatif terhadap Al₂O₃.

Mekanisme Nukleasi

Gambar 7 menunjukkan perubahan volume dan rasio absorbansi (R₅ = A_A/A_B) untuk suspensi Al₂O₃ di zona positif dan negatif. Zona positif menunjukkan perubahan volume yang kecil dan absorbansi stabil, yang mengindikasikan dispersi yang dipertahankan. Zona negatif menunjukkan peningkatan volume yang signifikan dan kehilangan absorbansi, mengonfirmasi agregasi.

Di zona difusi tereduksi, gelembung kecil tumbuh melalui transportasi massa asimetris dan merusak, menyediakan banyak situs nukleasi sambil membiarkan nanoparticle terdisperse. Di zona koalescensi gelembung, gelembung besar terbentuk melalui koalesensi, menyerap nanoparticle dan mengurangi situs nukleasi efektif. Transisi antara regime ini diatur oleh intensitas ultrasonik dan konsentrasi nanoparticle: intensitas yang lebih tinggi mendukung koalesensi, sedangkan konsentrasi yang lebih tinggi dan sudut kontak yang lebih rendah mempromosikan difusi tereduksi.

Kesimpulan

Nanopartikel Al₂O₃ dan SiO₂ yang digabungkan dengan ultrasound bertindak sebagai situs nukleasi heterogen, menurunkan supercooling air. Efeknya tergantung pada jenis gelembung kavitasi yang terbentuk:

• Pengerekan yang didorong difusi tereduksi: perlakuan gabungan menghasilkan derajat supercooling yang lebih rendah daripada perlakuan tunggal karena situs nukleasi bersifat aditif.
• Pengerekan yang didorong koalescensi gelembung: perlakuan gabungan memerlukan derajat supercooling yang lebih tinggi karena agregasi nanoparticle pada gelembung besar.

Performa optimal dicapai ketika intensitas ultrasonik rendah dan konsentrasi nanoparticle tinggi, menempatkan sistem di zona difusi tereduksi. Sudut kontak secara kritis mempengaruhi intensitas dan konsentrasi kritis: sudut yang lebih kecil memperluas zona yang menguntungkan, sedangkan sudut yang lebih besar menyusutkannya. Wawasan ini memandu desain sistem nanoparticle-ultrasound untuk penyimpanan kalor laten yang efisien.

Singkatan

TEM:

Mikroskop transmisi elektron