Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite để tăng hiệu suất hấp thu năng lượng mặt trời ứng dụng nâng cao hiệu quả sản xuất nước ngọt từ nước mặn

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

Kỷ yếu khoa học

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE ĐỂ TĂNG HIỆU SUẤT
HẤP THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ỨNG DỤNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ SẢN
XUẤT NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC MẶN
Lê Thị Nguyện*, Lê Quốc Anh
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội
*Tác giả liên hệ:
TĨM TẮT
Trong cơng trình này, hệ vật liệu nanocomposite có từ tính trên cơ sở graphene oxit (Al2O3/GO,
Fe3O4/GO, Fe3O4 – Al2O3/GO) đã được tổng hợp và đặc trưng bằng các phương pháp X-ray,
phổ hồng ngoại, SEM và EDX. Graphene oxide (GO) được tổng hợp từ graphite bằng phương
pháp Hummers cải tiến và các vật liệu composite được tổng hợp bằng phương pháp trộn huyền
phù. Sau khi tổng hợp và đặc trưng, dãy vật liệu cơ sở GO và được phân tán vào nước mặn và
đo khả năng hấp thu nhiệt. Kết quả cho thấy khi dùng phối hợp các vật liệu thì hiệu quả hấp
thu nhiệt hơn khi dùng đơn lẻ. Fe3O4-Al2O3/GO cho hiệu quả hấp thu cao nhất (chênh lệch
nhiệt độ giữa mẫu trắng và mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 5mg/mL là 6oC). Ảnh hưởng của
hàm lượng vật liệu đến khả năng hấp thu nhiệt đã được khảo sát và lựa chọn được nồng độ phù
hợp là 5mg/mL, khi tăng nồng độ cao hơn 1.5 mg/mL và thời gian dài thì khả năng hấp thu
giảm. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt của vật liệu cũng được
khảo sát, khi dùng 2 bóng đèn thì chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu trắng và mẫu có phân tán vật
liệu tăng lên nhiều so với dùng một bóng.
Từ khóa: Vật liệu nanocomposite, cường độ ánh sáng, nước mặn.
STUDY ON CREATING NANOCOMPOSITE MATERIALS TO INCREASE THE
SOLUTION OF SOLAR ENERGY APPLICATION TO IMPROVE THE
EFFICIENCY OF WATER PRODUCTION FROM SALT WATER
Le Thi Nguyen*, Le Quoc Anh
Hanoi University of Mining and Geology
*Corresponding Author:

ABSTRACT
Research, nanocomposite materials are magnetically based on graphene oxide (Al2O3/GO,
Fe3O4/GO, Fe3O4 – Al2O3/GO) synthesized and characterized by X-ray methods, infrared
spectroscopy, SEM and EDX. Graphene oxide (GO) is synthesized from graphite by means of
an improved Hummers method and composite materials are synthesized by suspension
blending. After synthesis and characterization, the range of GO base materials is dispersed into
saline water and measured for heat absorption. Results show that when used in combination
with materials, the effect of heat absorption is greater than when used alone. Fe3O4-Al2O3/GO
gives the highest absorption efficiency (the temperature difference between the blank sample
and the material dispersion material with a concentration of 5 mg/mL is 6°C). The effect of the
material content on the heat absorption capacity was investigated and selected the appropriate
concentration is 5 mg/mL, the increase in concentration is higher than 1.5 mg/mL and the
longer time the absorption capacity decreases. The effect of light intensity on the material's
ability to absorb heat was also investigated; when using two bulbs, the temperature difference
between the blank sample and the material dispersed sample increased significantly compared
to using a light bulb.
Keywords: Nanocomposite material, light intensity, salt water.
lượng mặt trời cho các mục đích khác nhau.
Một phương pháp hiệu quả là phân tán các vật
liệu nano có khả năng nâng cao hiệu suất hấp
thu nhiệt vào trong môi trường chất lỏng:

GIỚI THIỆU
Các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu
công nghệ để nâng cao hiệu suất hấp thu nhiệt
và bay hơi nước của các hệ thống hấp thu năng

13

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

Kỷ yếu khoa học

thu được dung dịch màu vàng sáng. Sau 30
phút, nhỏ từ từ dung dịch NH3 đến khi pH=10.
Khuấy tiếp trong 30 phút. Sau khi phản ứng
xảy ra hoàn toàn, các hạt kết tủa màu đen được
thu lấy bằng nam châm, sau đó rửa nhiều lần
với nước và ethanol đến pH=7. Các hạt nano
Fe3O4 được sấy ở 60oC. Hòa tan 0,3 g GO
trong 300 ml nước cất, sau đó đem đi siêu âm
trong 30 phút, thu được huyền phù GO. Thêm
0,15 g nano Fe3O4 vào dung dịch và siêu âm
30 phút. Sau khi siêu âm thu được một huyền
phù đồng nhất, Fe3O4/GO được thu lại bằng
nam châm và sấy ở 60oC.
Tổng hợp Fe3O4 -Al2O3/GO
Phân tán 0,3 g Al2O3/GO trong 300 ml nước
cất, sau đó đem đi siêu âm trong 30 phút, thu
được huyền phù Al2O3/GO tiếp theo thêm 0,3
g các hạt nano Fe3O4 vào huyền phù
Al2O3/GO và siêu âm 30 phút. Sau khi siêu
âm thu được một huyền phù đồng nhất, Fe3O4Al2O3/GO được thu lại bằng nam châm và để
khô tự nhiên.
Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của vật
liệu
Pha dung dịch nước muối 3,5% và 0,5 mg/mL
vật liệu, siêu âm các mẫu vật liệu phân tán tốt
trong nước muối. Các mẫu được ký hiệu là

M1, M2... Các mẫu thí nghiệm được xếp thành
1 vịng trịn, sau đó đặt bóng đèn ở giữa vịng
trịn. Đo nhiệt độ ban đầu trong mỗi cốc đựng
mẫu. Bật bóng đèn, sau mỗi 10 phút ghi lại
nhiệt độ trong mỗi mẫu thí nghiệm.
Thực nghiệm đánh giá khả năng thu hồi
và tái sinh vật liệu
Đánh giá khả năng thu hồi vật liệu
Lấy mẫu vật liệu có khả năng hấp thu nhiệt
cao nhất đem đi đánh giá khả năng thu hồi vật
liệu. Ghi lại thời gian mẫu được thu hồi hoàn
toàn bằng nam châm và tính hiệu suất thu hồi
mẫu vật liệu. Mẫu vật liệu sau khi thu hồi và
thử nghiệm khả năng hấp thu nhiệt
Phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật
liệu
Cấu trúc đặc trưng bằng các phương pháp Xray (D8 ADVANCE BRUKER); SEM (Jeol
6490 JED 2300 (Nhật Bản); EDX (JED-2300
- JEOL (Nhật Bản);và FTIR (4600 JASCO).

nước, glycol, dầu… gọi là nanofluid.
Nanofluid chứa các hạt nano khác nhau: dạng
kim loại (Cu, Ag, Au, Ni), oxit kim loại
(Al2O3, Cu2O, TiO2…), cacbua kim loại (AlN,
SiN), dạng C (carbon nanotubes, graphite…)
đã được nghiên cứu. Một số nanocomposite
(hybrid nanopaticles) đã được đưa vào chất
lỏng và cho hiệu quả cao hơn dạng hạt nano
một thành phần. Các nanofluid thường được
sử dụng trong chưng cất nước mặn ở dạng:

đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho
nước mặn và đưa vào trong bình chưng cất
chứa nước mặn (phương pháp hấp thu nhiệt
trực tiếp).
Trong cơng trình này, với mong muốn kết hợp
nhiều thành phần để tăng hiệu quả hấp thu
nhiệt, hệ vật liệu nanocomposite có từ tính
trên cơ sở graphene oxit (Al2O3/GO,
Fe3O4/GO, Fe3O4–Al2O3/GO) được tổng hợp
và đặc trưng bằng các phương pháp X-ray,
phổ hồng ngoại, SEM và EDX. Khả năng hấp
thu nhiệt của các vật liệu và khả năng thu hồi
tái sử dụng vật liệu được nghiên cứu một cách
hệ thống.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Graphite loại tinh khiết (99%) mua của Công
ty Sigma- Aldrich, H2SO4 (98%), KMnO4
(loại tinh thể, 99%), H2O2 (30%), FeCl3.6H2O
(99%), HCl (36-38%), NaNO3 (99%),
FeSO4.7H2O (99%), AlCl3.6H2O Ethanol
(99,7%) và NH3 (25%) mua của Công ty được
cung cấp bởi nhà máy hóa chất Guangdong
Guanghua, Trung Quốc.
Tổng hợp Al2O3/GO
Pha dung dịch AlCl3 1 M trong ethanol cho
vào bình định mức 100 ml, sau đó khuấy dung
dịch trong khoảng 30 phút. Nhỏ từ từ dung
dịch NH3 vào dung dịch đến khi pH=9 (lúc
này xuất hiện kết tủa màu trắng). Cho hỗn hợp
kết tủa vào autoclave, sấy ở 200oC trong 3 giờ.

Rửa kết tủa đến pH=7 và sấy ở 80oC. Cuối
cùng, nung kết tủa ở 500oC trong 5h thu được
Al2O3. Để tổng hợp vật liệu hỗn hợp GO và
Al2O3, hịa tan 0,1g GO trong 200 ml, sau đó
đem đi siêu âm trong 1h. Thêm Al2O3 vào
huyền phù GO và khuấy đều trong vòng 6h.
Cuối cùng, sản phẩm được sấy ở 70 oC trong
vòng 12h.
Tổng hợp Fe3O4/GO
Hòa tan FeCl3.6H2O và FeSO4.7H2O vào 150
ml nước cất. Khuấy trên bếp từ trong 30 phút,

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả đặc trưng vật liệu
Phổ hồng ngoại của các vật liệu Phổ hồng
ngoại của GO (Hình 1a) có khoảng phổ chân

14


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

rộng với đỉnh ở 3480 cm-1 là dao động của
nhóm –OH. Các đỉnh tại 1692 cm-1, 1572 cm
-1
, 1258 cm -1, 1062 cm -1 là hấp thụ đặc trưng
của nhóm C=O, C=C, C-OH và C-O. Các dao
động này đã minh chứng cho sự hiện diện các
nhóm chức chứa oxy trong GO. Phổ hồng
ngoại của Al2O3 (Hình 1), thể hiện đầy đủ các

đỉnh đặc trưng của Al2O3. Đỉnh có chân rộng
ở 3487 cm-1 là của nhóm OH, 1636 cm-1 là của
nhóm OH là H-O-H, đỉnh đặc trưng của nhóm
Al-O ở khoảng khoảng 600 – 800 cm-1. Theo
Hình 1 đỉnh phổ ở 571 cm-1 là dao động hóa
trị của nhóm chức Fe-O. Số sóng trong khoảng
1625 cm-1 đến 1400 cm-1 chỉ ra sự có mặt của
dao động biến dạng của nhóm H-O-H, trong
khi đó nhóm O-H có dao động hoá trị ở
khoảng 3380 cm-1. So sánh phổ của GO,

Kỷ yếu khoa học

Al2O3 và GO hỗn hợp với Al2O3 (hình 2b) cho
thấy phổ hồng ngoại của Al2O3/GO có đầy đủ
đỉnh đặc trưng của GO và Al2O3 (hình 3.4),
tuy nhiên, cường độ của các đỉnh phổ đặc
trưng cho GO (1692 cm-1, 1572 cm-1, 1258
cm-1 và 1062 cm-1 của các nhóm C=O, C=C,
C-OH và C-O) bị giảm do nồng độ GO trong
mẫu giảm đi. Tương tự, phổ của của
Fe3O4/GO (hình 2b) cũng có đầy đủ các đỉnh
đặc trưng của GO và Fe3O4 (Hình 1a và 2a),
nhưng với cường độ giảm do nồng độ GO
trong mẫu giảm đi.Từ phổ của GO, Al2O3/GO,
Fe3O4/GO, Fe3O4-Al2O3/GO ta thấy phổ của
các vật liệu hỗn hợp có đầy đủ các đỉnh đặc
trưng của các vật liệu riêng rẽ nhưng với
cường độ giảm đi.

Fe3 O4 -Al 2 O3 /GO
Fe3 O4 -Al 2 O3 /GO tái sinh

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

(a)
(b)
Hình 1. Phổ hồng ngoại của (a) các vật liệu TH; (b) vật liệu tái sinh
Nhiễu xạ tia X của các vật liệu
tương tự cũng thu được khi đo phổ X-ray của
Từ giản đồ XRD ta thấy góc 2θ=11,2o là góc mẫu Fe3O4-Al2O3/GO.
đặc trưng cho vật liệu GO, ở graphite, đỉnh Kết quả đo SEM và EDX của vật liệu
hấp thu đặc trưng ở 2θ=26,5o. Đồng thời, Kết quả đo SEM của vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO
khoảng cách giữa các lớp đã được nâng lên (Hình 6) cho thấy bề mặt của vật liệu có sự
đáng kể. Ở graphite, đỉnh hấp thu đặc trưng ở phân tán đều của Al2O3, Fe3O4 và GO. Kết quả
2θ=26,5o, khoảng cách giữa các lớp chỉ là 3,35 ảnh SEM cho thấy vật liệu có kích thước

Å , nhưng ở mẫu GO thì khoảng cách giữa các khoảng 20 nm. Kết quả EDX của Fe3O4lớp tăng lên đến 8,327Å. Kết quả này là do Al2O3/GO cho thấy vật liệu chứa 4 ngun tố
q trình oxy hóa đã giúp cho các nhóm chức C, O, Al và Fe (Bảng 1).
có oxygen như –OH, –O–, –C=O và –COOH Đánh giá khả năng hấp thu nhiệt của các
chèn vào giữa các lớp dẫn đến làm nâng rộng vật liệu tổng hợp được
Kết quả đo khả năng hấp thu nhiệt của các
khoảng cách giữa các lớp graphite.
Kết quả nhiễu xạ tia X của Al2O3/GO cho thấy vật liệu khác nhau
việc đưa Al2O3 đã làm cho đỉnh đặc trưng của Để đánh giá sự tăng khả năng hấp thu nhiệt
GO ở góc 2θ=10,58o khơng cịn, thay vào đó của các vật liệu tổng hợp được, các vật liệu
là sự xuất hiện các đỉnh mới ở giá trị 2θ tương được phân tán vào nước biển với nồng độ 0,5
ứng là 37,1o; 45,6o và 67,1o phù hợp với dữ mg/ml. Đem chiếu sáng các hỗn hợp và đo
liệu nhiễu xạ tia X của γ-Al2O3, thể hiện cho nhiệt độ định kỳ tại các thời điểm khác nhau
sự xen phủ γ -Al2O3 lên bề mặt GO. Kết quả để so sánh.

15


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

Kỷ yếu khoa học

Bảng 1. Kết quả đo EDX của vật liệu Fe3O4-Al2O3/GO
Nguyên tố
CK
OK
Al K
Fe K
Tổng số

Thành phần khối

lượng (%)
14.40
45.79
28.41
11.40
100.00

Từ kết quả đo cho thấy, tất cả các vật liệu
nghiên cứu đều làm tăng khả năng hấp thu
nhiệt của nước muối 3,5%. So sánh các mẫu
M2, M3 và M4 ta thấy khi hỗn hợp Al2O3 và
GO thì nhiệt hấp thu bởi dung dịch chứa vật
liệu tăng lên cao hơn so với mẫu dung dịch chỉ
có GO hoặc Al2O3. Tương tự, sự so sánh các
mẫu M2, M5, M6 cho thấy hỗn hợp của Fe3O4
với GO cũng làm tăng khả năng hấp thu nhiệt
của nước muối so với mẫu chỉ có GO hoặc
Fe3O4. Đặc biệt, ở mẫu có sự kết hợp của
Fe3O4, Al2O3 và GO thì khả năng hấp thu nhiệt
cao nhất, cao hơn 6oC so với mẫu trắng. Sự
khác biệt này sẽ càng tăng khí nhiệt độ mơi
trường càng cao (trời nằng to). Điều này
chứng tỏ vật liệu GO hỗn hợp với cả Fe3O4 và
Al2O3 là mẫu vật liệu có khả năng hấp thu
nhiệt và dẫn nhiệt tốt nhất trong các mẫu vật
liệu tổng hợp được.
Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của hàm
lượng đến khả năng hấp thu nhiệt của vật
liệu
Khi tăng hàm lượng vật liệu phân tán trong

nước từ 0,5mg/ml đến 1,5mg/ml thì nhiệt hấp
thu tăng lên 1-2 độ. Tuy nhiên khi tăng nồng
độ của chất hấp thu lên 2mg/ml và ở nhiệt độ
cao trên 80oC thì khả năng hấp thu nhiệt lại
giảm. Điều này có thể giải thích là nhiệt độ
cao và hàm lượng chất hấp thu lớn dẫn đến các
hạt này có xu hướng hút kết tụ với nhau tạo
thành các hạt lớn hơn và lắng xuống dưới, vì
vậy làm giảm khả năng hấp thu nhiệt và dẫn
nhiệt. Kết quả cho thấy, ở hàm lượng 1,5
mg/ml của Fe3O4-Al2O3/GO thì mẫu thí
nghiệm có kết quả hấp thu nhiệt cao nhất. Tuy
nhiên, để tiết kiệm chi phí và giảm sự kết tụ
khi dùng thời gian dài có thể dùng nồng độ
chất hấp thu trong nước là 0,5mg/ml.
Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của cường
độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt
Kết quả trên cho thấy, vật liệu Fe3O4Al2O3/GO với hàm lượng 1,5 mg/ml có khả

Thành phần nguyên tố (%)
22.55
53.82
19.80
3.84
năng hấp thu nhiệt cao nhất. Vì vậy nồng độ
1,5 mg/ml để thử nghiệm sự ảnh hưởng của
cường độ ánh sáng đến khả năng hấp thu nhiệt
của vật liệu. Khi tăng cường độ chiếu sáng từ
1 bóng đèn lên 2 bóng đèn thì nhiệt độ hấp thu
của vật liệu càng tăng lên. Chênh lệch nhiệt độ

cao giữa khi sử dụng 1 bóng đèn với 2 bóng
đèn là 9oC.
Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng thu
hồi và tái sinh vật liệu
Khi khơng có nam châm sự thu hồi vật liệu
chậm và khơng hồn tồn. Tuy nhiên, khi sử
dụng nam châm để thu hồi thì sau 10 phút, vật
liệu đã bị nam châm hút hết về phía đáy cốc.
Kết quả sau khi gạn bỏ nước và sấy, hiệu suất
thu hồi đạt 98%. Điều này chứng tỏ vật liệu
chế tạo được có khả năng thu hồi tốt.
Sau khi thu hồi, vật liệu được rửa bằng nước
sạch, sấy khô, đo phổ hồng ngoại và đánh giá
khả năng hấp thu nhiệt. Phổ hồng ngoại của
vật liệu ban đầu và vật liệu sau khi tái sinh cho
thấy, vật liệu sau khi tái sinh có các đỉnh đặc
trưng giống với các đỉnh của vật liệu ban đầu.
KẾT LUẬN
Đã tổng hợp thành công các vật liệu hấp thu
trên cơ sở GO là: Al2O3/GO, Fe3O4/GO và
Fe3O4-Al2O3/GO. Kết quả phân tích bằng phổ
FT-IR, X-ray, SEM, EDX đã chứng tỏ sự tạo
thành của các vật liệu. Kết quả đo khả năng
hấp thu cho thấy các vật liệu khi dùng phối
hợp cho hiệu quả hấp thu nhiệt hơn khi dùng
đơn lẻ. Fe3O4-Al2O3/GO cho hiệu quả hấp thu
cao nhất (chênh lêch nhiệt độ giữa mẫu trắng
và mẫu có phân tán vật liệu nồng độ 0,5
mg/mL là 6oC và 8oC tương ứng. Kết quả khảo
sát sự ảnh hưởng của hàm lượng đến khả năng

hấp thu nhiệt của vật liệu và khảo sát sự ảnh
hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng
hấp thu nhiệt của vật liệu cho thấy khi tăng
nồng độ hơn 1.5mg/mL thì hiệu suất hấp thu
giảm khi chiếu sáng lâu hơn 80 phút và khi

16


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ 21 năm 2019

dùng 2 bóng đèn thì chênh lệch nhiệt độ giữa
mẫu trắng và mẫu có phân tán vật liệu tăng lên
nhiều. Vật liệu có từ tính nên hiệu quả thu hồi

Kỷ yếu khoa học

cao tới 98%, vật liệu sau thu hồi có đặc trưng
nhóm chức khơng thay đổi và hiệu quả hấp thu
nhiệt xấp xỉ vật liệu mới.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
RAJ P, SUBUDHI S., A review of studies using nanofluids in flat-plate and direct absorption
solar Collectors, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 84 (2018) pp 54–74.
SARSAM W.S., KAZI S.N., A. BADARUDIN, A review of studies using nanofluids in flatplate and direct absorption solar Collectors, Solar Energy, 122 (2015) pp 1245–1265.

17