SiO_2纳米流体透射率影响因素实验研究_王辉

第44卷第6期2010年6月
浙 江 大 学 学 报(工学版)
Journal o f Zhejiang U niversit y (Eng ineer ing Science)
Vol.44No.6June 2010
收稿日期:2008-12-23.
浙江大学学报(工学版)网址:w w /eng
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50676082);中国博士后科学基金资助项目(20080441248).
作者简介:王辉(1985 ),女,四川自贡人,硕士生,从事纳米流体物性研究.E -mail:w angh uiw h@
通信联系人:骆仲泱,男,教授.E -m ail:z yluo@cmee.z
DO I:10.3785/j.issn.1008-973X.2010.06.017
SiO 2纳米流体透射率影响因素实验研究
王 辉,骆仲泱,蔡洁聪,王 涛,赵佳飞,倪明江
(浙江大学清洁能源利用国家重点实验室,浙江杭州310027)
摘 要:利用高压微射流法制备了多种SiO 2纳米流体,并用分光光度计结合积分球原理测试了不同粒径、不同体积分数及不同光程下SiO 2纳米流体在太阳能辐射全波段的透射率.比较实验结果发现,SiO 2纳米流体的颗粒粒径,以及其体积分数的不同对纳米流体的透射率有不同程度的影响.通过定制不同厚度的样品池,测试不同光程下SiO 2纳米流体的透射率.实验发现:7nm SiO 2纳米流体的透射率随光程的变化仍符合朗伯-比尔定律,而40nm SiO 2纳米流体由于颗粒散射加剧导致结果偏离朗伯-比尔定律.关键词:SiO 2纳米流体;透射率;粒径;体积分数;光程
中图分类号:T K 121 文献标志码:A 文章编号:1008-973X(2010)06-1143-06
Experimental study of influencing factors on
transmissivity of SiO 2nanofluids
WANG Hui,LUO Zhong -yang,CAI Jie -cong,WANG T ao,ZH AO Jia -fei,NI M ing -jiang
(S tate K ey L abor ator y of Clean Ener gy Utiliz ation,Zhej iang Univ er sity ,H angz hou 310027,China)
Abstract:H ig h performance nanofluids w ere produced by a microfluidizer ,and a spectrophotometer basing the integ ral ball principle w as used to m easure the transmissivity of SiO 2nanofluids in total so lar irradiance band w ith v ario us particle sizes,volume fraction and optical path.By analy zing the ex perim ental r esults,it w as observed that the phy sical characteristics of nanofluids such as particle sizes,vo lum e fraction and o ptical path w ould affect the transmissivity of SiO 2nano fluids.The measurement of the transmissivity of SiO 2nanofluids w ith different optical path was realized by using different thick sample pools.The results indicated that the transmissivity variation of the 7nm SiO 2nanofluids with the different optical paths obeyed the Labber-t Beer law ,how ever,not happened when the diameter was 40nm for particle dispersion.
Key words:nanofluids;transmissivity ;particle size;vo lum e fr actio n;optical path 近10年来,由于纳米技术的快速发展,纳米流体作为优良的传热传质介质逐渐受到关注.1995年,Choi [1]首次提出并定义了纳米流体:将粒径在1~100nm 范围的金属或者非金属颗粒悬浮在基液中形成的稳定悬浮液.将纳米技术应用于热能工程这一传统领域是一项创新[2-3]
,随着电子器件的微型化、集成化发展,把纳米流体应用到微通道制冷技术,更是促进了各领域对纳米流体研究的重视[4-9].同时纳米颗粒的量子尺寸、大比表面积效应及界面
原子排列和键组态的无规则特性使纳米流体对光辐射也具有特殊的吸收效应[10-11]
.
纳米流体对太阳能辐射吸收特性研究,已成为当前太阳能热利用的新课题,是材料科学和热物理科学的交叉科学.透射率是纳米材料对太阳能吸收的关键参数之一.由于纳米流体易发生团聚或沉降[12],会削弱纳米流体所具有的优势,透射率也是团聚程度的一个重要表征参数.姜未汀等[13]研究了基于透射率的纳米流体颗粒团聚定量分析.光透过
纳米流体时,吸收和散射使透射光强减弱,吸收作用使入射光能转化为热能等其他形式的能量,而散射仅改变了光能在空间的分布.纳米流体因为纳米颗粒散射作用的存在,使光吸收和透射特性研究更复杂化,造成了目前理论和实验研究的诸多困难和不足.流体透射率的影响因素亦较多,包括粒径、体积分数、光程、pH 值和表面活性添加剂等.
本文通过测试不同粒径、不同体积分数及不同光程下的SiO 2纳米流体对太阳能全波段的透射率,分析纳米流体透射率的影响因素.
1 实验原理及材料
纳米流体的制备方法主要有2种:一步法和两步法.一步法指在颗粒制备的同时将颗粒分散到基液中去;两步法包括纳米颗粒的制备、分散剂选择及
对悬浮液进行超声分散等步骤.两步法制备纳米流体具有操作简便,易于控制悬浮液的纳米颗粒的体积分数,有助于深入开展纳米流体特性研究;但也存在不足,如流体不稳定.本文在两步法的基础上采用了高压微射流分散仪制备各种均匀稳定的纳米流体,实物如图1所示
.
图1 高压微射流仪
F ig.1 A pparatus of M icro -fluidizer with high pressur e
图2为高压微射流分散仪的结构图,制备好的纳米颗粒和基液预先混合后,从加料口加到物料罐中,通过中间的活塞式增压泵加压(最大可到20Pa),进入微通道腔体中,通道平均管径75 m (进口处90 m,出口处60 m),形成一个弯曲的渐缩喷嘴,用以增大颗粒与壁面的碰撞,末端出口骤扩成常规管径(2cm).该系统能达到良好的分散效果,在流体进入通道的过程中,颗粒受到了以下几个作用力:极高流速下流体对颗粒的大剪切力;颗粒与壁面碰撞产生的巨大冲击力.这些力远远大于颗粒之间的范德华力,因而起到了分散的作用;在出口段流体突然进入大腔体内,
在空化效应的作用下流体内
图2 高压微射流工作简图
Fig.2 Schematic o f disper sing pr ocess micro -fluidizer
wit h hig h pr essure
颗粒被充分分散.
图3是用激光粒度分析仪测得的粒径为7nm 、体积分数为1%的SiO 2纳米流体的粒径分布图,图4是用透射电镜拍得的7nm SiO 2纳米流体的TEM 照片.高压微射流分散后的悬浮液中的纳米颗粒被打散成原生单粒,团聚现象不明显.通过此方法制备了不同粒径的SiO 2纳米流体
.
图3 7nm SiO 2粒径分布图
Fig.3 P article size distr ibution of 7nm SiO
2
图4 7nm SiO 2TEM 照片Fig.4 T EM of 7nm SiO 2
本文将制备得到的SiO 2纳米流体用紫外可见近红外分光光度计(UV -3150)测量其透射率.均匀
非散射介质的透射率利用分光光度法测得,原理如图5实线箭头所示,用光电管检测透射的光信号,光信号转换为电信号换算得到光强,对比入射光强,从而得到测试介质的透射率.但纳米流体存在散射现
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象,部分透射光不是垂直射出流体,而是成一定角度,如图5虚线箭头所示,这部分偏透光不能被光电管接收,造成测得的透射率比实际的要小.为减少这样的误差,本文采用积分球法采集透射光信号,如图6所示,积分球包覆了样品池的透射面,提高了测试的准确度.图5测试得到的透射率定义为直透射率T 0(本文入射光均为垂直入射),图6测试得到的透射率定义为全透射率T .采用分光光度计结合积分球的原理测量了不同粒径d 、不同体积分数的 (SiO 2纳米流体)及不同光程b 下SiO 2纳米流体透射率,从而得出上述因素对SiO 2纳米流体对光吸收特性的影响
.
图5 常规液体透射率测量原理
F ig.5 P rinciple of tr ansmissiv ity measur ement for
g ener al
liquid
图6 积分球测试原理
F ig.6 Principle of integ ral ball method
2 实验结果和分析
2.1 粒径的影响
当光经过散射体系时,吸收和散射作用都会削弱透射光强,所以颗粒粒径、分散体积分数都会影响介质的透射率,尤其是对弱吸收介质(SiO 2).实验对体积分数为1%,粒径分别为7nm 和40nm 的2种纳米流体进行了全透射率(T )和直透射率(T 0)的测量,结果如图7所示.曲线1和曲线2分别是7nm 粒径的纳米流体用积分球法测得的全透射率和用光电管测试得到的直透射率,曲线3和曲线4分别是粒径为40nm 的纳米流体的全透射率和直透射率.7nm 的纳米流体的直透射和总透射曲线基本吻合,且最高透射率达0.83,说明1%体积分数下的7nm 纳米流体偏透射很微弱,散射作用不明显,透射减弱以
吸收为主;而40nm 的纳米流体的直透射和全透射曲线发生较大背离且最大全透射率和直透射率分别为
0.45和0.24,这说明了40nm 纳米颗粒产生了显著的散射作用,大大降低了直透射.比较可知,在1%的体积分数下,纳米颗粒粒径的增大直接加剧了散射作用,降低了流体的直透射率.体积分数为1%的3种不同粒径SiO 2纳米流体的全透射率试验数据(图7)与上述结论吻合.实验结果符合Rayleig h 散射理论[14],即,对于弱吸收颗粒,随颗粒尺寸的增大,颗粒的消光逐渐由吸收支配向散射支配转变
.
图7 SiO 2纳米流体的全透射率和直透射率
Fig.7 T and T 0of SiO 2nano fluids
分析图7中波长为500~1500nm 的透射率曲线发现,随着波长的增加,全透射和直透射的差异逐渐缩小,这说明散射作用随着波长的增加而减弱,这符合M ie 理论[15].
由有效介质理论可知,流体的有效光吸光特性与体积分数有关,和粒径无关,所以不同粒径、相同
体积分数的流体有效吸光度相同.图8中3种不同粒径、相同体积分数的SiO 2
纳米流体透射率存在显图8 不同粒径SiO 2纳米流体的全透射率Fig.8 T of SiO 2nanofluids w ith var ious particle sizes
著差异,认为这种差异主要是由颗粒散射差异引起的.在纳米流体体积分数为1%时,颗粒间距相对粒径较大,忽略颗粒间作用力,认为是独立散射体系.当纳米颗粒粒径较小(7nm )时,散射作用微弱,纳米流体的光吸收特性可用有效介质理论近似分析;
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当粒径较大(40nm)时,散射作用明显,有效介质近似模型已不再适用,应采用M ie 理论进行分析.在用M ie 理论分析时,必须区分独立散射和非独立散射,这需要考虑纳米流体体积分数的影响,因为体积分数影响了颗粒间距及相互作用力.2.2 体积分数的影响
为分析纳米流体体积分数对透射率的影响,测试了多种粒径、不同体积分数的纳米流体的透射率,结果如图9~11.从图中可看出,随着纳米流体体积分数的增加,流体的透射率减小,这是因为纳米流体体积分数的增加,纳米颗粒的散射和吸收都变强
.
图9 7nm SiO 2纳米流体的全透射率F ig.9 T of 7nm SiO 2nano
fluids
图10 12nm SiO 2纳米流体的全透射率Fig.10 T of 12nm SiO 2
nanofluids
图11 40nm SiO 2纳米流体的全透射率Fig.11 T of 40nm SiO 2nanofluids
2.3 光程的影响
朗伯-比尔定律提出流体吸光度与光程相关,为研究散射是否受光程影响,进行了SiO 2纳米流体在不同光程下的透射率试验,结果如图12和13.由图知,随着光程的增加,纳米流体的透射率下降,光程的变化只影响透射率大小,而曲线的峰谷并没有发生红移或蓝移.光程越小,光在传递过程中碰到颗粒的机率就越小,发生散射的机率也越小,所以透射变大.同时,7nm SiO 2流体的透射率随光程减小的速度要小于40nm 流体的减小速度,结合有效介质理论分析认为这是由散射差异引起的,因此,可以得出颗粒粒径大的流体透射率受光程影响会更大
.
图12 不同光程7nm SiO 2纳米流体的全透射率Fig.12 T of 7nm SiO 2nano fluids with differ ent
b
图13 不同光程40nm SiO 2纳米流体的全透射率Fig.13 T of 40nm SiO 2nanofluids w ith different b
由朗伯-比尔定律可知:流体的吸光度与其中溶质含量及液层厚度的乘积成正比,它是各类吸光光度法定量分析的理论基础.朗伯-比尔定律的适用条件为:待测物为均一的稀溶液或气体等,无溶质、溶剂及悬浮物引起的散射;入射光为单色平行光.纳米流体因为在水中添加了纳米颗粒,属于悬浮液,虽然也可以用分光光度计较为准确地测得透射率,不过
其透射率随光程的变化已不遵循朗伯-比尔定律了.为说明颗粒散射体系偏离朗伯-比尔定律的程度,对数据进行了反向模拟.
通过曲线拟合得到纳米流体与水的衰减系数比
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值是波长的六次多项关系式,以10m m 光程时的SiO 2纳米流体透射率为基准,由式(1)朗伯-比尔定律推算出5mm 光程下透射率变化曲线(图14和图15).由图可知,在颗粒粒径为7nm 时,实测值(曲线1)和理论模拟值(曲线2)基本吻合,说明在此工况下朗伯-比尔定律近似适用;而粒径为40nm 工况时两曲线发生明显背离,说明朗伯-比尔定律不再适用,需进行修正;同时也说明粒径的增大加剧了散射,造成体系不断背离朗伯-比尔定律.
A =lo g (I 0/I )=log (1/T )=K bc .式中:A 为吸光度,I 0为入射光强,I 为透射光强,T 为全透射率,K 为比例常数,b 为吸收层厚度(光程),c 为吸光物质的浓度
.
图14 7nm SiO 2在光程为5mm 时的全透射率F ig.14 T o f 7nm SiO 2nanofluids,b =
5mm
图15 40nm SiO 2在光程为5m m 时的全透射率Fig.15 T of 40nm SiO 2nanofluids,b =5mm
3 结 语
本文用分光光度计结合积分球原理测试了不同颗粒粒径和不同体积分数下的SiO 2纳米流体的透射率.结果表明:SiO 2纳米流体的透射率随着纳米颗粒粒径的增大而减小,变化主要集中在紫外可见光波段.随着颗粒粒径的增大,散射现象增强,透射率减小.当颗粒粒径小于20nm 时,测得的SiO 2纳米流体的直透射率约占全透射率的90%,颗粒的散
射作用不强,纳米流体的消光主要由吸收支配;而当颗粒尺寸达到40nm 时,在光程和体积分数与7nm SiO 2相同的条件下,直透射率仅占全透射率的50%左右,消光逐渐由散射支配,纳米粒子的增大降低了透射率,符合Ray leig h 散射理论.
颗粒间的相互作用也影响着透射率的大小,随着分散颗粒体积分数的增加,会使单位体积纳米流体中颗粒数增加和颗粒间的相互作用变大,这都会导致纳米流体透射率的降低.且粒径越大,透射率随体积分数增大而减小的效果越显著.
本文还用积分球的原理测试了光程变化时,不同粒径的SiO 2纳米流体透射率随波长的变化曲线.实验结果显示:SiO 2纳米流体的透射率随着光程的增加而减小.光程增加,光在介质中传递的距离增加,光强的衰减增加,故其透射率减少.透射率随光程的变化规律受到纳米颗粒粒径的限制:7nm SiO 2纳米流体的消光以吸收为主,其透射率随光程的变化规律仍符合朗伯-比尔定律,40nm SiO 2纳米流体的消光由散射和吸收两部分组成,由于颗粒散射的存在,消光系数受到光程和波长的共同影响.
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