Supercooling Air Dikendalikan oleh Nanopartikel dan Ultrasound
Abstrak
Nanopartikel, termasuk Al2 O3 dan SiO2 , dan ultrasound diadopsi untuk meningkatkan sifat pemadatan air. Pengaruh konsentrasi nanopartikel, sudut kontak, dan intensitas ultrasonik pada derajat pendinginan air diselidiki, serta stabilitas dispersi nanopartikel dalam air selama pemadatan. Hasil percobaan menunjukkan bahwa tingkat pendinginan air berkurang di bawah efek gabungan dari ultrasound dan nanopartikel. Akibatnya, penurunan derajat pendinginan meningkat dengan meningkatnya intensitas ultrasonik dan konsentrasi nanopartikel dan penurunan sudut kontak nanopartikel. Selain itu, pengurangan derajat pendinginan super yang disebabkan oleh ultrasound dan nanopartikel bersama-sama tidak melebihi jumlah pengurangan derajat pendinginan super yang disebabkan oleh ultrasound dan nanopartikel secara terpisah; pengurangan bahkan lebih kecil daripada yang disebabkan oleh ultrasound secara individual di bawah kondisi tertentu dari konsentrasi nanopartikel terkontrol dan sudut kontak dan intensitas ultrasonik. Stabilitas dispersi nanopartikel selama pemadatan dapat dipertahankan hanya ketika nanopartikel dan ultrasound bersama-sama menunjukkan efek superior dalam mengurangi derajat pendinginan air ke operasi tunggal ultrasound. Jika tidak, agregasi nanopartikel muncul dalam pemadatan air, yang mengakibatkan kegagalan. Hubungan antara konsentrasi nanopartikel yang bermakna, sudut kontak, dan intensitas ultrasonik, di mana persyaratan pendinginan super rendah dan stabilitas tinggi dapat dipenuhi, diperoleh. Mekanisme kontrol untuk fenomena ini dianalisis.
Pengantar
Pencarian teknologi baru untuk mencegah meningkatnya perhatian pada masalah lingkungan, kekurangan energi yang akan segera terjadi, dan tingginya biaya energi dan pembangkit listrik baru telah menjadi perhatian ilmiah selama tiga dekade terakhir. Tantangan utama adalah kurangnya penyimpanan energi berlebih untuk mencegahnya dibuang dan untuk menjembatani kesenjangan antara pembangkitan energi dan konsumsi. Penyimpanan energi panas panas laten adalah teknik yang sangat menarik karena menyediakan kepadatan penyimpanan energi yang tinggi [1]. Air adalah salah satu bahan yang paling umum digunakan untuk penyimpanan panas laten dalam praktek. Ini memiliki kepadatan penyimpanan termal volumetrik yang tinggi karena panas laten dan konduktivitas termal yang tinggi. Namun, salah satu kelemahan utama air, seperti yang dilaporkan oleh banyak peneliti, adalah pendinginan super yang terjadi selama proses pemadatan. Supercooling menyebabkan penurunan suhu pendinginan; dengan demikian, panas laten akan dilepaskan pada suhu yang lebih rendah. Akibatnya, perbedaan suhu yang besar antara pengisian dan pengosongan diperlukan untuk memanfaatkan sepenuhnya panas laten, yang tidak diinginkan untuk aplikasi penyimpanan energi panas yang efisien [2]. Oleh karena itu, menemukan metode untuk mengurangi tingkat pendinginan air sangat penting untuk memajukan teknologi penyimpanan energi panas panas laten.
Dalam dekade terakhir, menggunakan nanopartikel sebagai agen nukleasi adalah metode yang tersebar luas dan terkemuka yang telah diadopsi para peneliti untuk mengontrol derajat pendinginan air. Nanopartikel yang umum digunakan adalah logam dan oksida logam, seperti TiO2 , Al2 O3 , Cu, dan CuO [3,4,5,6]. Nanopartikel ini bersifat hidrofilik dan dapat memfasilitasi pembentukan inti es dengan cara menurunkan energi bebas nukleasi Gibbs. Nanopartikel hidrofobik lainnya, seperti karbon nanotube dan nanoplatelet graphene, juga telah digunakan sebagai agen nukleasi oleh beberapa peneliti [7,8,9]. Pengurangan derajat pendinginan air dikaitkan dengan luas permukaan spesifik nanopartikel yang tinggi, yang dapat memberikan lebih banyak situs nukleasi dan meningkatkan kemungkinan nukleasi pada suhu tinggi. Menurut literatur, nanopartikel yang berbeda memiliki efek nukleasi yang berbeda; Selain itu, nanopartikel dengan luas spesifik yang tinggi dapat menghilangkan supercooling air, sedangkan nanopartikel dengan hidrofilisitas tidak. Misalnya, menambahkan sejumlah kecil nanoplatelet graphene (0,02 wt.%) dapat menghilangkan supercooling air [8], sedangkan pengurangan hanya 70,9% dalam derajat supercooling dapat dicapai dengan menggunakan TiO2 nanopartikel (1,0 berat) [4]. Dengan demikian, meningkatkan jumlah situs nukleasi asing dapat menjadi metode yang lebih baik untuk mengontrol supercooling air, dibandingkan dengan meningkatkan hidrofilisitas agen nukleasi.
Menggunakan nanopartikel dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan meningkatkan konsentrasi nanopartikel hidrofilik adalah dua cara umum untuk meningkatkan situs nukleasi untuk pemadatan air. Namun, mempertahankan dispersi nanopartikel dengan luas spesifik yang tinggi dalam air sangat sulit, dan nanopartikel cenderung berkumpul bersama secara spontan untuk mengurangi energi bebas permukaan [10]. Stabilitas dispersi yang buruk dari nanopartikel dengan area spesifik yang tinggi akan menyebabkan beberapa masalah parah dalam aplikasinya, seperti degradasi sifat termal dalam siklus termal jangka panjang. Fenomena agregasi juga tidak dapat dihindari ketika konsentrasi nanopartikel meningkat sampai batas tertentu [11]. Untuk nanopartikel logam dan oksida logam, perkiraan konsentrasi kritis adalah sekitar 1,0–2,0 % berat. Oleh karena itu, mencari cara lain untuk meningkatkan situs yang efektif untuk nukleasi air diperlukan.
Menerapkan USG dalam pemadatan telah terbukti menjadi metode yang efektif untuk mengurangi tingkat pendinginan air selama beberapa tahun terakhir [12]. Ultrasound, ketika melewati media cair, menyebabkan getaran mekanis cairan. Jika media cair mengandung inti gas terlarut, yang akan terjadi dalam kondisi normal, media cair dapat tumbuh dan runtuh oleh aksi ultrasound. Fenomena pertumbuhan dan keruntuhan gelembung mikro di bawah medan ultrasonik dikenal sebagai "kavitasi akustik" [13]. Nukleasi es air umumnya diyakini terkait erat dengan kavitasi akustik. Beberapa peneliti menganggap bahwa perubahan tekanan yang terkait dengan runtuhnya gelembung kavitasi mungkin menjadi alasan untuk efek nukleasi ultrasound [14,15,16,17,18,19,20], sedangkan yang lain percaya bahwa tingkat pendinginan air yang berkurang mungkin karena permukaan gelembung kavitasi yang disediakan, bertindak sebagai situs nukleasi asing [21,22,23]. Oleh karena itu, penyelidikan lebih lanjut diperlukan untuk lebih memahami nukleasi es yang dikendalikan ultrasound.
Baru-baru ini, Liu dkk. melakukan eksperimen pada pemadatan air yang dipengaruhi oleh nanopartikel (yaitu, graphene oxide) dan ultrasound secara bersamaan [24]. Mereka menemukan bahwa tingkat pendinginan air berkurang lebih signifikan di bawah efek gabungan nanopartikel dan ultrasound daripada yang disebabkan oleh nanopartikel atau ultrasound. Namun, fenomena menarik ini tidak dijelaskan dengan baik dalam penelitian mereka dan umumnya dikaitkan dengan efek kavitasi ultrasound. Pekerjaan kami sebelumnya telah menunjukkan bahwa memperkenalkan TiO2 nanopartikel dan ultrasound ke dalam proses pemadatan dapat mengurangi derajat pendinginan air. Semakin tinggi daya ultrasonik, semakin rendah derajat pendinginannya [25]. Namun, kami juga menemukan bahwa masalah agregasi yang disebutkan di atas muncul dalam pemadatan air yang dibantu oleh ultrasound dan TiO2 nanopartikel; yaitu, partikel nano dan gelembung cenderung didorong menjauh oleh antarmuka air es yang maju dan akhirnya mengelompok bersama di tengah wadah, terutama pada kekuatan ultrasonik tinggi. Temuan ini menunjukkan bahwa daya ultrasonik harus diatur dengan hati-hati untuk mencapai tingkat pendinginan yang rendah dan stabilitas nanopartikel yang baik secara bersamaan. Sampai saat ini, beberapa penelitian telah dilaporkan tentang pemadatan air yang dibantu oleh nanopartikel dan ultrasound. Oleh karena itu, melakukan penyelidikan rinci untuk mengidentifikasi dan menjelaskan efek gabungan nanopartikel dan ultrasound dianggap perlu.
Dalam penelitian ini, Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel, yang hidrofilik dan dapat terus terdispersi dalam air, diadopsi, dan ultrasound diperkenalkan dalam proses pemadatan dari dua suspensi berair. Efek konsentrasi nanopartikel dan intensitas ultrasonik pada tingkat pendinginan air diselidiki. Penelitian ini terutama bertujuan untuk mengidentifikasi peran nanopartikel dan ultrasound dalam pemadatan air dan menentukan metode nukleasi yang tepat dan kondisi kontrol yang sesuai yang dapat memenuhi persyaratan derajat pendinginan yang rendah dan stabilitas suspensi yang baik secara bersamaan. Mekanisme nukleasi mengenai gelembung kavitasi juga dibahas untuk menunjukkan bagaimana nanopartikel dan ultrasound mempengaruhi pemadatan air.
Eksperimental
Hidrofilik Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel (Aladdin Chemical Reagent Co. Ltd., Cina) dipilih sebagai agen nukleasi dalam penelitian ini, berdasarkan afinitas kuatnya terhadap air. Sudut kontak antara nanopartikel dan air diukur menggunakan metode static sessile drop dengan contact angle goniometry (DataPhysics OCA40 Micro, Germany). Lima tes dilakukan untuk setiap nanopartikel, dan nilai rata-rata diperoleh dari tes ini. Pengukuran sudut kontak dapat diulang dalam 1% dari nilai rata-rata, dan hasil pengukuran disajikan pada Gambar 1. Dalam pembuatan suspensi nanopartikel, air deionisasi digunakan sebagai cairan dasar dengan pH yang disesuaikan hingga 8 dengan natrium hidroksida tingkat analitis , dan tidak ada surfaktan yang digunakan. Probe ultrasonikasi (Sonics Vibra Cell, Ningbo Kesheng Ultrasonic Equipment Co. Ltd., China) dengan daya keluaran 600 W dan catu daya frekuensi 20 kHz diterapkan untuk menyebarkan nanopartikel ke dalam air deionisasi dengan getaran selama 1 jam. Konsentrasi nanopartikel ditetapkan ke 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, dan 1,0%berat.
a Potensi zeta dari suspensi berair Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel. b Gambar TEM khas dari suspensi berair SiO2 nanopartikel
Suspensi nanopartikel berair yang terdispersi dengan baik dapat diperoleh dengan potensi zeta tinggi untuk mendapatkan gaya tolak elektrostatik yang kuat. Suspensi nanopartikel dengan potensi zeta lebih besar dari + 30 mV atau lebih besar dari 30 mV biasanya dianggap stabil dalam literatur [26]. Jadi, potensial zeta dari suspensi berair Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel pada konsentrasi yang berbeda diukur menggunakan penganalisis ukuran partikel Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments Ltd., Inggris). Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 1a. Pengukuran diulang tiga kali, dan reproduktifitas data jatuh dalam kesalahan 1,5%. Semua suspensi nanopartikel memiliki potensi zeta lebih tinggi dari 30 mV, menunjukkan bahwa Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel dapat terus tersebar di dalam air. Mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-100CXII, JEOL, Jepang) selanjutnya digunakan untuk mengukur distribusi nanopartikel dalam air. Gambar 1b menunjukkan gambar TEM tipikal dari suspensi berair SiO2 nanopartikel. Terbukti, nanopartikel terdistribusi dengan baik. Dalam penelitian ini, stabilitas dispersi yang baik dari suspensi berair Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel dapat dipertahankan selama 4 hari tanpa menunjukkan tanda-tanda sedimentasi.
Peralatan eksperimental untuk pemadatan air yang dibantu oleh nanopartikel dan ultrasound secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 2a. Peralatan berikut adalah sebagai berikut:sistem pemadatan yang terdiri dari tangki pendingin yang dirancang dan termostat suhu rendah (CDC-1, Tianjin Huabei Refrigeration Technology Co. Ltd., Cina) yang digunakan untuk membekukan sampel; sistem penghasil ultrasound (perangkat ultrasonik komersial, Sonicator Vibra-Cell sonicator JY88-IIN, Ningbo Scientz Biotechnology Co. Ltd., China) digunakan untuk menyediakan medan ultrasound; sistem pengamatan yang terdiri dari pencatat data suhu (34970A, Agilent Technologies Co. Ltd., USA); dan komputer yang digunakan untuk memantau proses pembekuan secara real time. Untuk memastikan distribusi penyinaran ultrasound yang seragam, sumber ultrasonik ditempatkan secara vertikal di tengah tangki pendingin, dan wadah kaca berisi sampel cairan ditempatkan sekitar 2 inci dari sumber ultrasonik dan sejajar dengannya.
a Skema peralatan eksperimental:(1) penangas termostatik, (2) perangkat ultrasonik, (3) pencatat data suhu, dan (4) komputer. b Profil suhu khas pemadatan air:TB , suhu beku; TN , suhu nukleasi; dan T , derajat pendinginan (selisih antara TB dan TN )
Dalam eksperimen, sampel air yang dicampur dengan dan tanpa nanopartikel dengan volume sekitar 20 mL didinginkan pada 20 °C di bawah intensitas ultrasonik yang berbeda mulai dari 0,14 hingga 1,27 W cm
−2
. Siklus kerja iradiasi ultrasonik ditetapkan pada 80%, mewakili 8 s on–2 s off. Pemrosesan ultrasound dimulai saat suhu sampel mendingin hingga 0 °C dan selesai segera setelah nukleasi es terjadi dalam sampel cair. Waktu pemrosesan ultrasound sangat singkat, kurang dari 2 menit. Perubahan laju pendinginan sampel cair karena panas yang dihasilkan oleh ultrasound dapat diabaikan dalam waktu yang singkat. Gambar 2b menunjukkan profil suhu tipikal dalam pemadatan. Proses solidifikasi dapat dibagi menjadi tiga tahap berikutnya, yaitu, pendinginan cair, transisi fase, dan pembekuan padat. Pada tahap pendinginan cair, panas sensibel dihilangkan dari sampel keadaan cair dan suhunya diturunkan. Setelah mencapai titik beku, transisi fase biasanya tidak segera dipicu tetapi pendinginan berlanjut. Oleh karena itu, pada akhir tahap pendinginan awal, sampel tetap tidak membeku di bawah titik bekunya; yaitu, sampel didinginkan. Setelah tingkat pendinginan tertentu, nukleasi es tiba-tiba terjadi. Setelah itu, sampel mengalami transisi fase. Dalam penelitian ini, termokopel tipe T tembaga-konstantan dengan akurasi ± 0.2 °C digunakan untuk mengukur suhu. Eksperimen solidifikasi dalam kondisi yang sama diulang setidaknya 15 kali untuk menghitung rata-rata data eksperimen. Penyimpangan dari nilai rata-rata adalah ± 1,5%.
Dalam analisis pemadatan air yang diinduksi nanopartikel dan ultrasound, keadaan gelembung kavitasi pada konsentrasi nanopartikel yang berbeda dan intensitas ultrasonik diukur menggunakan metode kapiler [27]. Metode kapiler melibatkan pelekatan kapiler yang dapat mengukur perubahan volume yang terjadi akibat terbentuknya gelembung-gelembung besar yang tidak aktif yang terbentuk dari koalesensi antar gelembung kavitasi. Nilai absorbansi suspensi berair nanopartikel sebelum dan sesudah siklus pemadatan/peleburan juga diukur menggunakan spektrofotometer UV-vis (UV9000S, Shanghai Precision &Scientific Instrument Co., Ltd., China) untuk menganalisis stabilitas dispersi nanopartikel asing dalam air selama pemadatan. Lima tes dilakukan untuk setiap sampel untuk memastikan keandalan hasil eksperimen.
Hasil dan Diskusi
Derajat Pendinginan Super Air yang Dikendalikan oleh Nanopartikel dan Ultrasound Secara Terpisah
Rasio derajat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan nanopartikel dengan yang tanpa nanopartikel (R1 = ΔTN /ΔTK ) pada konsentrasi nanopartikel yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3. Derajat pendinginan air murni yang diukur (ΔTK ) sekitar 11,6 °C. Rasio derajat pendinginan R1 adalah < 1 dan menurun dengan meningkatnya konsentrasi nanopartikel, yang menunjukkan bahwa Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel dapat mempromosikan nukleasi es air seperti yang diharapkan. Al2 O3 nanopartikel tampaknya memiliki efek nukleasi yang lebih kuat karena sudut kontak yang lebih kecil dibandingkan dengan SiO2 nanopartikel. Misalnya, pengurangan 28,3% pada derajat pendinginan air diperoleh dengan menambahkan 0,6 berat SiO2 nanopartikel, sedangkan pada konsentrasi yang sama, Al2 O3 nanopartikel dapat mengurangi derajat pendinginan air hingga 37,4%. Efek nukleasi yang melemah dari SiO2 nanopartikel yang disebabkan oleh sudut kontak yang besar dapat dikompensasikan dengan meningkatkan konsentrasi nanopartikel. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1, pengurangan 37,1% derajat pendinginan juga dapat dicapai dengan meningkatkan konsentrasi SiO2 nanopartikel menjadi 0,8 berat. Gambar 1 juga menunjukkan efek ultrasonografi pada tingkat pendinginan air yang berlebihan. Rasio derajat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan ultrasound dengan yang tanpa ultrasound (R2 = ΔTU /ΔTK ) adalah < 1, menunjukkan bahwa gelembung kavitasi yang dihasilkan oleh ultrasound dapat bertindak sebagai agen nukleasi untuk mempromosikan nukleasi es air. Efek nukleasi ultrasound ini dapat ditingkatkan dengan meningkatkan intensitas ultrasonik. Dalam studi ini, pengurangan 83,1% pada derajat pendinginan air dapat diperoleh pada intensitas ultrasonik 1,27 W cm
−2
.
Efek ultrasound dan nanopartikel pada tingkat pendinginan air. TU /ΔTK mewakili rasio derajat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan ultrasound dengan yang tanpa ultrasound. TN /ΔTK mewakili rasio derajat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan partikel nano dengan yang tanpa partikel nano
Derajat Pendinginan Super Air yang Dikendalikan oleh Nanopartikel dan Ultrasound Bersama
Gambar 4 menunjukkan efek gabungan nanopartikel dan ultrasound pada tingkat pendinginan air. Rasio derajat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan nanopartikel dan ultrasound dengan yang tanpa nanopartikel dan ultrasound (R3 = ΔTT-U /ΔTK ) adalah < 1, menunjukkan bahwa menggunakan nanopartikel dan ultrasound secara bersama-sama dapat meningkatkan nukleasi es air dalam pemadatan. Efek nukleasi nanopartikel dan ultrasound ini terkait erat dengan konsentrasi nanopartikel dan intensitas ultrasonik. Misalnya, pengurangan 63,7% dalam derajat pendinginan air dapat diperoleh di Al2 O3 konsentrasi nanopartikel 0,2 wt.% saat intensitas ultrasonik meningkat dari 0,14 menjadi 1,27 W cm
−2
. Pengurangan 58,1% pada derajat pendinginan air dapat diperoleh pada intensitas ultrasonik 1,27 W cm
−2
ketika Al2 O3 konsentrasi nanopartikel meningkat dari 0,2 menjadi 1,0 %berat. Sudut kontak nanopartikel juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi efek gabungan dari ultrasound dan nanopartikel. Derajat pendinginan air yang dikontrol oleh Al2 O3 nanopartikel ternyata lebih rendah dibandingkan dengan yang dikendalikan oleh SiO2 nanopartikel pada konsentrasi nanopartikel yang sama dan kondisi intensitas ultrasonik. Misalnya, tingkat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air berkurang sebesar 70,6% untuk Al2 O3 nanopartikel pada konsentrasi 0,6 wt.% dan intensitas ultrasonik 0,69 W cm
−2
, sedangkan hanya 56,1% pengurangan derajat pendinginan yang diperoleh untuk SiO2 nanopartikel pada kondisi yang sama. Untuk mencapai pengurangan 70,6% yang sama pada tingkat pendinginan super, konsentrasi yang lebih tinggi 1,0 berat diperlukan untuk SiO2 nanopartikel dengan sudut kontak yang besar. Oleh karena itu, nukleasi es air yang dibantu oleh nanopartikel dan ultrasound bersama-sama dapat difasilitasi dengan meningkatkan konsentrasi nanopartikel dan intensitas ultrasonik serta mengurangi sudut kontak nanopartikel.
Efek gabungan dari ultrasound dan nanopartikel pada tingkat pendinginan air yang sangat tinggi [a Al2 O3 nanopartikel, b SiO2 nanopartikel]. TT-U /ΔTK mewakili rasio derajat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan nanopartikel dan ultrasound dengan yang tanpa nanopartikel dan ultrasound
Perbandingan Derajat Pendinginan Super Air yang Dikendalikan oleh Nanopartikel dan Ultrasound Secara Terpisah dan Saling Mengganti
Ketika nanopartikel dan ultrasound mempengaruhi nukleasi es air secara bersamaan, efek akhir ditemukan bukan hanya penambahan semua efek individu; yaitu, pengurangan tingkat pendinginan air yang ditentukan oleh nanopartikel dan ultrasound bersama-sama sebenarnya lebih rendah daripada jumlah pengurangan yang ditentukan oleh mereka secara terpisah. Misalnya, derajat pendinginan air berkurang sebesar 70,6% pada Al2 O3 konsentrasi nanopartikel 0,6 wt.% dan intensitas ultrasonik 0,69 W cm
−2
(Gbr. 4a), yang lebih kecil dari jumlah pengurangan 37,4% yang disebabkan oleh 0,6 berat nanopartikel dan pengurangan 52,1% yang disebabkan oleh 0,69 W cm
−2
ultrasonografi (Gbr. 3). Selanjutnya, pengurangan tingkat pendinginan air yang disebabkan oleh nanopartikel dan ultrasound selalu lebih besar daripada yang diinduksi oleh nanopartikel secara individual, sedangkan mungkin lebih besar dari atau kurang dari yang diinduksi oleh ultrasound saja, tergantung pada konsentrasi nanopartikel dan intensitas ultrasonik. Misalnya, pengurangan 47,2% pada derajat pendinginan air diperoleh pada konsentrasi nanopartikel 0,2 berat dan intensitas ultrasonik 0,69 W cm
−2
(Gbr. 4a), yang lebih besar dari pengurangan 19,3% yang disebabkan oleh 0,2 berat Al2 O3 nanopartikel tetapi lebih kecil dari pengurangan 52,1% yang disebabkan oleh 0,69 W cm
−2
ultrasonografi (Gbr. 3). Gambar 5 menunjukkan rasio derajat pendinginan super untuk pemadatan air dengan nanopartikel dan ultrasound secara bersama-sama dibandingkan dengan ultrasound secara terpisah (R4 = ΔTT-U /ΔTU ) pada konsentrasi nanopartikel dan intensitas ultrasonik yang berbeda. Rasio derajat pendinginan ini R4 air berkurang dengan meningkatnya konsentrasi nanopartikel dan penurunan intensitas ultrasonik; selain itu, ini> 1 pada konsentrasi nanopartikel rendah dan intensitas ultrasonik tinggi dan < 1 pada konsentrasi nanopartikel tinggi dan intensitas ultrasonik rendah.
Perbandingan derajat pendinginan air yang dikontrol oleh ultrasound dan nanopartikel secara terpisah [a Al2 O3 nanopartikel, b SiO2 nanopartikel]. TT-U /ΔTU mewakili rasio derajat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan nanopartikel dan ultrasound dengan yang dengan ultrasound
Dalam studi ini, kami menganggap bahwa efek gabungan nanopartikel dan ultrasound adalah positif ketika rasio derajat pendinginan R4 adalah < 1 dan negatif ketika rasio derajat pendinginan super R4 adalah> 1. Kondisi kontrol yang sesuai untuk dua situasi ini ditampilkan pada Gambar. 6. Gambar menunjukkan garis pemisah merah di mana semua rasio derajat pendinginan R4 air sama dengan 1. Di zona di atas garis pemisah ini (zona negatif), semua rasio derajat pendinginan super R4 adalah> 1; di zona di bawah garis pemisah (zona positif), semua rasio derajat pendinginan super R4 adalah < 1. Konsentrasi nanopartikel dan intensitas ultrasonik yang sesuai dengan rasio derajat pendinginan super R4 dari 1 didefinisikan sebagai daerah kritis dan intensitas kritis, masing-masing. Rupanya, ada korespondensi satu-ke-satu antara konsentrasi nanopartikel dan intensitas ultrasonik; yaitu, konsentrasi nanopartikel yang lebih tinggi sesuai dengan intensitas ultrasonik yang lebih tinggi pada garis pemisah. Ketika konsentrasi nanopartikel lebih rendah dari konsentrasi kritis pada intensitas ultrasonik tertentu atau intensitas ultrasonik lebih tinggi dari intensitas kritis pada konsentrasi nanopartikel tertentu, rasio derajat pendinginan super R4 air akan jatuh ke zona negatif, dan sebaliknya akan jatuh ke zona positif. Selain itu, konsentrasi nanopartikel kritis dan intensitas ultrasonik ditemukan terkait dengan sudut kontak nanopartikel. Perbandingan Al2 O3 dan SiO2 nanopartikel menunjukkan bahwa ketika sudut kontak nanopartikel meningkat, garis pemisah merah air bergerak ke arah konsentrasi nanopartikel tinggi dan intensitas ultrasonik rendah, yang mengarah ke kontraksi zona positif yang dikendalikan oleh nanopartikel dan ultrasound bersama-sama. Misalnya, rasio derajat pendinginan super terkontrol R4 air oleh SiO2 nanopartikel terletak di zona negatif alih-alih zona positif pada konsentrasi nanopartikel 0,4 berat dan 0,69 W cm
−2
intensitas ultrasonik, dibandingkan dengan yang dikendalikan oleh Al2 O3 nanopartikel.
Diagram yang menunjukkan efek yang berbeda dari ultrasound dan nanopartikel pada tingkat pendinginan air yang lebih tinggi [a Al2 O3 nanopartikel, b SiO2 nanopartikel]. Titik biru, merah, dan hijau menunjukkan bahwa tingkat pendinginan yang diperlukan untuk pemadatan air dengan nanopartikel dan ultrasound masing-masing lebih rendah dari, sama dengan, dan lebih tinggi daripada dengan ultrasound secara individual
Analisis Nukleasi Air yang Dipadatkan Di Bawah Efek Gabungan Nanopartikel dan Ultrasound
Perubahan volume khas suspensi air dan nanopartikel yang diukur di zona positif dan negatif ditunjukkan pada Gambar 7. Di zona negatif, perubahan volume yang besar terlihat jelas, sedangkan di zona positif sama sekali tidak ada. Sejauh pengetahuan kami, dua proses, yaitu difusi yang diperbaiki dan koalesensi gelembung, terlibat dalam mengendalikan pertumbuhan gelembung kavitasi. Difusi yang diperbaiki mengacu pada pertumbuhan gelembung kavitasi karena transportasi massa yang tidak merata melintasi dinding gelembung selama siklus penghalusan dan kompresi. Selama fase ekspansi gelembung (penjernihan), gas yang larut dalam air berdifusi ke dalam gelembung; sementara itu, selama fase kompresi gelembung (runtuh), gas-gas di dalam gelembung berdifusi keluar. Koalesensi gelembung berarti bahwa beberapa gelembung kavitasi yang lebih kecil bergabung dan membentuk gelembung yang lebih besar. Berbeda dengan gelembung kavitasi yang dibentuk oleh difusi yang diperbaiki, gelembung yang terbentuk oleh koalesensi gelembung tidak mengalami siklus kavitasi dan tidak runtuh [28, 29]. Oleh karena itu kami menyimpulkan bahwa gelembung kavitasi di zona positif dan negatif dapat dibentuk oleh difusi yang diperbaiki dan koalesensi gelembung, masing-masing. Dalam studi ini, stabilitas dispersi nanopartikel selama pemadatan air di zona positif dan negatif juga diselidiki, dan hasilnya mendukung kesimpulan di atas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, rasio absorbansi (R5 = AA /AB ) dari suspensi berair Al2 O3 nanopartikel tidak memiliki perubahan yang berarti di zona positif, sedangkan rasio absorbansi di zona negatif berkurang secara signifikan. AB dan AA adalah nilai absorbansi suspensi nanopartikel sebelum dan sesudah siklus solidifikasi/pelelehan. Pengamatan ini menunjukkan bahwa stabilitas dispersi nanopartikel dalam air dapat dipertahankan di zona positif tetapi memburuk di zona negatif. Pada penelitian ini, aglomerat nanopartikel besar muncul di zona negatif, yang akan mengendap dengan cepat pada proses peleburan selanjutnya. Dispersi nanopartikel yang baik di zona positif dapat dikaitkan dengan pelampiasan pancaran kavitasi yang mengikuti runtuhnya gelembung gas yang dibentuk oleh difusi yang diperbaiki; agregasi nanopartikel di zona negatif mungkin karena adsorpsi nanopartikel ke gelembung gas besar yang dibentuk oleh koalesensi gelembung. Analisis di atas pada gelembung kavitasi yang terbentuk di zona positif dan negatif digambarkan pada Gambar. 8.
Variasi volume dan absorbansi Al2 O3 suspensi nanopartikel yang disebabkan oleh ultrasound eksternal pada konsentrasi nanopartikel yang berbeda
Diagram skematik yang menunjukkan gelembung kavitasi yang terbentuk di zona positif dan negatif
Nanoparticles and cavitation bubbles can act as nucleating agents to reduce the supercooling degree of water as stated above. Given that nanoparticles can absorb and scatter the ultrasound energy, the number and size of the bubbles should be decreased. 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 (R4 < 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 (R4 > 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.
Kesimpulan
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.
