معرفی نانوسیالات
مفهوم نانوسیال، سوسپانسیون‌های حاوی ذرات نانو، مواد فلزی و غیر فلزی را شامل می‌شود. نانوسیالات پتانسیل‌های بسیار زیادی در محیط‌‌ها و شرایط متفاوت دارند که باعث شده اهمیت به‌سزایی در صنایع و تأسیسات داشته باشند. به‌عنوان مثال، سیالات متداولی که در زمینه انتقال حرارت استفاده می‌شوند ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند. ذرات نانو به‌دلیل بالا بودن ضریب هدایتی‌شان با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال، که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب می‌شود، می‌گردند. در این مقاله سعی بر این است تا روش‌ها و کاربردهای گوناگون نانوسیالات به‌طور مختصر شرح داده شوند.
مقدمه:
نانوسیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل می‌شوند، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاردبرهای صنعتی هستند. اندازه ذرات مورد استفاده در نانوسیالات از ۱ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر است. این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس (Cu)، نقره (Silver) و ... یا اکسید فلزات همچون آلومینیوم اکسید (Al2O3) اکسید مس (CuO) و ... هستند .
به‌علت اشکالات موجود در استفاده از سیالات سنتی و حتی میکروسیال‌ها، از جمله رسوب یا ته‌نشینی ذرات (Sedimentation)، سائیدگی (Erosion)، مسدود کردن لوله‌ها (fouling) و افزایش افت فشار در مجرای سیال (pressure drop of the flow channel)، محققان به نانوسیالات روی آوردند. در سال 1993 ایده نانوسیال توسط Choi و Jeff Eastman مطرح شد و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آمد. در واقع نگاه تازه‌ای به سوسپانسیون سیال جامد با ذراتی در ابعاد نانو مطرح شد. همچنین به‌علت کوچک بودن ذرات به مقدار زیادی خوردگی، ناخالصی و مشکلات افت فشار کاهش پیدا کرد و پایداری سیالات در مقابل رسوب‌گذاری بهبود چشمگیری یافت .
نانوسیالات عموماً دارای هدایت گرمایی بالایی هستند و به همین علت نرخ انتقال حرارت در آنها بسیار زیاد است. نانوسیالات به‌وسیله پخش و منتشر کردن ذرات در اندازه‌های نانومتری در سیالات متداول منتقل‌کننده گرما، به منظور افزایش هدایت گرمایی و بهبود عملکرد انتقال حرارت، ساخته می‌شوند. نتایج آزمایش‌هایی که در رابطه با نحوه انتقال حرارت بر روی چندین نمونه نانوسیال انجام شد، نشان می‌دهد که عملکرد نانوسیالات در انتقال حرارت عموماً بیشتر از آن چیزی است که به‌صورت نظری پیش‌بینی شده است.
2. روش‌های تهیه نانوسیال
نانوسیال دارای دو جزء اصلی است:الف) سیال پایه: منظور آن سیالی است که به آن نانوذرات افزوده می‌شود که معمولاً سیال پایه یکی از انواع سیالات حامل انرژی مثل آب- اتیلن گلیکول و روغن موتور است.ب) ذرات نانو: که می‌تواند از انواع نانوذرات اکسید آلومینیوم یا اکسید مس بوده یا نانوذرات فلزی مانند مس باشند. همچنین نانولوله‌های کربنی از این جمله‌اند.به‌طور عمده 2 روش برای تولید نانوسیالات متصور است:در دو مرحله: پس از تهیه نانوذرات آن را به سیال اضافه کنند که در این روش ممکن است در این فاصله زمانی ذرات به یکدیگر بچسبند.در یک مرحله: ترکیب هم‌زمان سیال با نانوذرات (در حین تولید نانوذرات) .
2. 1. روش دو مرحله‌ای (Two-step process)یکی از روش‌های متداول تهیه نانوسیال، روش دو مرحله‌ای است. در این روش ابتدا نانوذره یا نانولوله معمولاً به‌وسیله روش رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD)در فضای گاز بی‌اثر به‌صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود، در مرحله بعد نانوذره یا نانولوله در داخل سیال پراکنده می‌شود. برای این کار از روش‌هایی مانند لرزاننده‌های مافوق صوت یا از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود تا توده‌های نانوذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانوسیالات شامل نانوذرات فلزی سنگین، کمتر موفق بوده است.
شکل 1-تجمع نانوذرات بر اثر چسبندگی آن به یکدیگر [4]
پس مرحله نخست این روش شامل تولید نانوذرات به‌صورت یک پودر خشک بوده که اغلب توسط کندانس نمودن با یک گاز بی‌اثر انجام می‌شود. در مرحله بعد نانوذرات تولید شده در سیال پخش می‌گردند. نکته اساسی در این روش تجمع نانوذرات بر اثر چسبندگی آنها به همدیگر است که از معایب این روش به شمار می‌آید. شکل 1 گویای این مطلب است.روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است; زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانو پودرها در مقیاس صنعتی را دارند.
2. 2. روش تک مرحله‌ای (Single-step process)روش یک مرحله‌ای نیز به موازات روش دو مرحله‌ای پیشرفت کرده است; به‌طور مثال نانوسیالاتی شامل نانوذرات فلزی که با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده‌اند. در این روش، منبع فلزی تحت شرایط خلأ تبخیر می‌شود.در این روش، تراکم توده نانوذرات به حداقل مقدار خود می‌رسد، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می‌شود; ولی با این حال روش‌های شیمیایی تک مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانوسیال به‌وجود آمده است که از آن جمله می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد. مزیت اصلی روش یک مرحله‌ای، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است. در این روش از یک مرحله که تبخیر مستقیم است استفاده می‌گردد. مزیت استفاده از این روش آن است که تجمع ذرات بر اثر چسبندگی آنها به یکدیگر به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته و به حداقل می‌رسد (شکل2) [4].
شکل 2-کاهش چسبندگی ذرات در روش دو مرحله‌ای [4]
پایداری نانوسیال
نانوسیالات مخلوط ساده‌ای از مایع و ذرات جامد نیستند بلکه نانوذرات به‌علت فعالیت سطح بالایی که دارند تمایل به اگلومره شدن دارند و این اگلومره شدن باعث ته‌نشینی و گرفته شدن میکروکانال‌ها و کاهش خواص فیزیکی نانوسیال می‌شود. بنابراین باید به پایداری نانوسیال، به‌صورت جدی توجه شود. مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار در پایداری نانوسیالات عبارتند از: غلظت نانوذرات، پخش‌کننده‌ها، ویسکوزیته سیال، مقدار pH، نوع نانوذرات، قطر نانوذرات و زمان اولتراسونیک [5].
1.3. ساز و کارهای پایداری نانوسیالتهیه نانوسیال پایدار، شرط لازم برای بهینه شدن خواص نانوسیال است. اجتماع نانوذرات و کلوخه شدن آنها سبب افزایش احتمال ته‌نشینی می‌شود و در نتیجه پایداری را کاهش می‌دهد. سرعت ته‌نشینی ذرات کروی در سیال ساکن را می‌توان از قانون استوکس به‌دست آورد:(1)این معادله از موازنه نیروهای ثقل، شناوری و دراگ که بر روی ذرات عمل می‌کنند به‌دست می‌آید. R شعاع ذرات، µ ویسکوزیته سیال، ⍴p چگالی ذرات و ⍴l چگالی سیال است. بر اساس این قانون، با کاهش اندازه ذرات، سرعت ته‌نشینی ذرات کاهش می‌یابد، وقتی اندازه ذرات به یک شعاع بحرانی (Rc) برسد، به‌دلیل حرکت براونی ذرات، ته‌نشینی رخ نخواهد داد. علی‌رغم این که ذرات با شعاع کمتر از شعاع بحرانی ته‌نشین نخواهند شد اما از طرفی ذرات کوچک‌تر انرژی سطح بالاتری دارند و احتمال تجمع آنها بیشتر است. بنابراین برای تهیه نانوسیال پایدار، باید از ذرات کوچک همراه با جلوگیری از تجمع آنها استفاده شود. پایداری نانوسیال به این معنی است که نانوذرات با سرعت قابل توجهی تجمع و رسوب نکنند و در نتیجه غلظت نانوذرات شناور، ثابت باشد [6].بر اساس نظریه DLVO) Derjaguin-Landau-Verwey-Overbee theory) پایداری نانوذرات در سیال، از برآیند نیروهای جاذبه و دافعه، محاسبه می‌شود. به‌طور کلی بین ذرات چهار نیروی بین مولکولی وجود دارد، نیروهای جاذبه بین ذرات عبارتند از: الف- نیروهای واندروالس ب- نیروهای دوقطبی مغناطیسی در صورتی‌که ذرات مغناطیسی باشند. نیروهای دافعه بین ذرات ناشی از نیروهای دافعه الکتروستاتیکی سطح نانوذرات است که با بار الکتریکی پوشیده شده‌اند و همچنین نیروهای دافعه فضایی (steric) سطح نانوذرات که با پلیمرها یا مواد فعال سطحی پوشیده شده‌اند. اگر نیروی دافعه ذرات بر نیروی جاذبه غلبه کند، نانوسیال در حالت پایدار بوده و در غیر این‌صورت دو ذره به هم برخورد کرده و به هم می‌چسبند. بنابراین برای نانوسیالات پایدار، باید نیروهای دافعه بین ذرات غالب باشد [6].ساز و کارهای بنیادی که بر پایداری کلوئیدها مؤثر است، بر اساس انواع دافعه، به دو گروه تقسیم می‌شوند: دافعه فضایی و دافعه الکترواستاتیک. در شکل 3 تصویری شماتیک از این دو نوع دافعه آورده شده است.
شکل 3- دافعه فضایی و دافعه الکترواستاتیک [7]
2.3. روش‌های افزایش پایداری نانوسیالبر اساس مطالعات انجام شده، سه روش کلی برای افزایش پایداری نانوسیال وجود دارد. بعضی از محققان از هر سه روش برای بهبود پایداری و برخی دیگر از یک یا دو روش استفاده کرده‌اند. در ادامه به‌طور مختصر هر کدام از روش‌ها توضیح داده می‌شوند.
1.2.3 افزودن مواد فعال سطحی (surfactant)افزودن ماده فعال سطحی در نانوسیال، روشی ساده و مقرون به‌صرفه برای افزایش پایداری نانوسیال است. مواد فعال سطحی به‌طور قابل ملاحظه‌ای بر مشخصه سطح سیستم اثر می‌گذارند. این مواد، حاوی یک سر قطبی آب‌دوست و یک سر آب‌گریز (معمولاً یک زنجیره هیدروکربنی) هستند. مواد فعال سطحی را بر اساس ترکیب سر آب‌دوست، به چهار دسته تقسیم‌بندی می‌کنند:الف- غیریونی که گروه باردار در سر آب‌دوست وجود ندارد.ب- آنیونی با گروه باردار منفیج- کاتیونی با گروه باردار مثبتد- آمفوتر که بار سر آب‌دوست می‌تواند مثبت یا منفی باشد.برای انتخاب ماده فعال سطحی مناسب باید به این نکته توجه کرد که اگر سیال پایه قطبی باشد، از مواد فعال سطحی با سر آب‌دوست و در غیر این‌صورت از مواد فعال سطحی که در روغن محلول هستند استفاده می‌شود [7]. همچنین در استفاده از این مواد باید دقت کرد چرا که حضور بیش از حد این مواد در نانوسیال، خصوصیات نانوسیال را تغییر داده و بر انتقال جرم و انتقال حرارت اثر می‌گذارد. عمده‌ترین مواد فعال سطحی که محققان استفاده کرده‌اند، عبارتند از سدیم دودسیل سولفات (SDS)، سدیم دودسیل بنزن سولفات (SDBS)، ستیل تری متیل آمونیم برمید (CTAB)، اولئیک اسید، دودسیل تری متیل آمونیوم برمید (DTAB)، پلی وینیل پیرولیدون(PVP) [8].اگرچه استفاده از مواد فعال سطحی یکی از راه‌های معمول بهبود پایداری نانوسیال است اما اضافه کردن این مواد به نانوسیال ممکن است سبب بروز مشکلاتی از قبیل ایجاد کف و کاهش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال شود. همچنین در نتیجه تخریب پیوند بین ماده فعال سطحی و نانوذره در دماهای بالای 60 درجه سانتی‌گراد، پایداری نانوسیال از بین می‌رود [8].
2.2.3. کنترل pH نانوسیالپایداری یک نانوسیال ارتباط مستقیمی با خواص الکتروکینتیکی آن دارد. به این‌صورت که اگر در سطح نانوذرات چگالی بار زیاد باشد، به‌علت نیروی دافعه الکتروستاتیکی، نانوذرات در سیال پایدار خواهند بود. بنابراین می‌توان با تنظیم pH نانوسیال، به پایداری مطلوب رسید [8].
3.2.3. ارتعاش مافوق صوت (ultrasonic)به منظور افزایش پایداری نانوسیال می‌توان از لرزاننده‌های مافوق صوت استفاده کرد. دو روش قبلی ذکر شده با اصلاح سطح نانوذرات به بهبود پایداری نانوسیال کمک می‌کنند اما در این روش، امواج فراصوت سبب از بین رفتن پیوندهای سطحی ضعیف میان نانوذرات شده و در نتیجه باعث شکسته شدن اگلومره‌ها شده و پایداری نانوسیال را افزایش می‌دهند.
3.3. روش‌های بررسی پایداری نانوسیالبرای بررسی پایداری نانوسیالات، روش‌های متعددی وجود دارند که در اینجا به چند روش عمده اشاره می‌شود.
1.3.3. اعمال میدان خارجی و ته‌نشینیدر این روش مقدار وزن یا حجم رسوب نانوذرات در نانوسیال، تحت نیروی میدان خارجی گرانشی یا سانتریفیوژ، معیاری از پایداری نانوسیال است. به این‌صورت که هر چقدر مقدار بیشتری از نانوذره رسوب کند، نانوسیال پایداری کمتری دارد.
2.3.3. طیف‌سنجی جذبی فرابنفش- مرئی (UV-Vis Spectrophotometry)این روش، یکی از روش‌های آسان بررسی پایداری نانوسیال است. تغییرات غلظت ذرات شناور در نانوسیال، برحسب زمان از طریق اندازه‌گیری جذب نانوسیالات به‌دست می‌آید، چرا که به‌طور کلی یک رابطه خطی بین شدت جذب و غلظت نانوذرات در سیال وجود دارد. عیب این روش این است که برای نانوسیالات با غلظت بالا مناسب نیست.
3.3.3. آنالیز پتانسیل زتامقدار پتانسیل زتا با پایداری محلول کلوئیدی ارتباط دارد. محلول‌های کلوئیدی با پتانسیل زتای بالا (مثبت یا منفی) پایداری بهتری دارند. در حالت کلی گفته می‌شود که نانوسیالات با پتانسیل زتای 40mV تا 60mV پایداری قابل قبول و نانوسیالات دارای پتانسیل زتای بالای 60mV پایداری خیلی خوبی دارند. در جدول 1 ارتباط بین پایداری نانوسیال و مقدار پتانسیل زتا آورده شده است. مشکل این روش، محدودیت ویسکوزیته سیال پایه است [8].
Stability | Z potential (absolute value) [mV] |
Little or no stability | 0 |
Some stability but settling lightly | 15 |
Moderate Stability | 30 |
Good Stability , Possible settling | 45 |
| 60 |
4.3.3. عکس‌برداری از رسوبدر طی زمان‌های مختلف از نانوسیال عکس گرفته شده و مقدار رسوب مشخص می‌شود.
بحث و نتیجه‌گیرینانوسیالات نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاردبرهای صنعتی هستند. در نانوسیالات به‌علت کوچک بودن ذرات به مقدار زیادی خوردگی، ناخالصی و مشکلات افت فشار کاهش پیدا کرده و پایداری سیالات در مقابل رسوب‌گذاری بهبود چشمگیری یافت. به‌طور کلی دو روش عمده برای ساخت نانوسیال توضیح داده شد، در روش دو مرحله‌ای، پس از تهیه نانوذرات آنها را به سیال اضافه می‌کنند که ممکن است در این فاصله زمانی ذرات به یکدیگر بچسبند. در روش یک مرحله‌ای نانوذرات در سیال حامل مورد نظر سنتز می‌شوند. اگلومره شدن نانوذرات در نانوسیال، باعث ته‌نشینی و گرفته شدن میکروکانال‌ها و کاهش خواص فیزیکی نانوسیال می‌شود لذا بسیار مهم است که نانوسیال از پایداری مطلوبی برخوردار باشد. بر اساس نظریه DLVO پایداری نانوذرات در سیال، از برآیند نیروهای جاذبه و دافعه، محاسبه می‌شود. عمده‌ترین روش‌های افزایش پایداری نانوسیال، افزودن سورفکتنت‌ها، تنظیم pH و استفاده از دستگاه‌های اولتراسونیک است. برای بررسی پایداری نانوسیال روش‌های متعددی وجود دارد که عمده‌ترین آنها روش آنالیز پتانسیل زتا و طیف‌سنجی جذبی فرابنفش- مرئی است.