Deducción de los conceptos de propiedades termofísicas de nanofluidos TiO2- PVA/agua

Pregunta de investigación

¿Cómo afecta la concentración de partículas a la viscosidad y la conductividad térmica del nanofluido de dióxido?

Justificación

Este trabajo busca investigar experimentalmente diferentes propiedades incluyendo la estabilidad, mediante la aplicación de la técnica de la modificación superficial donde esta modificación de las nanopartículas se realizó por tratamiento con polímero de PVA (alcohol polivinílico), con el fin de mejorar la estabilidad del nanofluidos.
Objetivos

El objetivo es identificar las propiedades termofísicas del nanofluido de TiO2-PVA incluyendo conductividad térmica y viscosidad. Adicionalmente investigar el efecto de la concentración de PVA en la modificación superficial de las nanopartículas de TiO2 y su efecto final sobre la estabilidad y las propiedades termofísicas.
Mapa conceptual del estado del arte

Figura 1. mapa conceptual estado del arte. Fuente: propia.

Mapa conceptual del marco teórico

Figura 2. mapa conceptual marco teórico. Fuente: propia.

Hipótesis

El artículo no presenta una hipótesis clara, en parte debido a la falta de estudios sobre el tema. Pero se evalúa la capacidad del dióxido de titanio y en qeu volumen  

Diseño experimental

1. Síntesis y caracterización de nanopartículas de TiO2

Las nanopartículas de TiO2 se sintetizaron en una solución acuosa a temperatura ambiente. La solución resultante se dejó en reposo para precipitar las nanopartículas de TiO2. El precipitado se monodisperso en agua ultrapura con agitación magnética y centrifugado a 6000 rpm durante 10 min. Finalmente, el precipitado resultante,purificado de esta solución, se sometió a recocido térmico a 500ºC / hora en atmósfera ambiente.La difracción de rayos X (XRD) es útil para la identificación de cristales compuestos orgánicos o inorgánicos. Esta técnica se utilizó para la identificación de fases cristalinas y la estimación de partículas tamaño. Una muestra de polvo se envasó en un lecho de aproximadamente 10 mm de diámetro,sobre un soporte de aluminio.

Tabla 1. La masa de nanopartículas utilizada para la síntesis de los nanofluidos

Tabla 2.Propiedades de transporte del agua y nanopartículas

Figura 3.Representación esquemática del procedimiento para la fabricación de las nanopartículas de TiO2 PVA. Tomado de: Oliveira, Silva, Dantas & Bandarra Filho, 2017.

2. Modificación superficial de nanopartículas de TiO2 con PVA

La estabilización de los nanofluidos se realiza mediante la adición de tensioactivos al fluido base, causando un aumento de la viscosidad y reduciendo la transferencia de calor. Ésto tiene como objetivo mejorar la estabilidad evitando la aglomeración de partículas. En el presente estudio se empleó la técnica de estabilización estérica, utilizando un polímero como agente estabilizante y modificador de superficie. Para la modificación superficial y la estabilización estérica de las nanopartículas de TiO2, se utilizó el polímero PVA (Sigma Aldrich). La hidrólisis de PVA fue la siguiente: se añadieron 2,5 y 5,0 gramos del polímero en dos vasos de precipitación que contenían 1 l de agua ultrapura a 70 ◦ C con agitación magnética hasta disolución completa. En dos vasos de precipitados que contenían 1 L de agua se dispersaron 5 g de TiO2. Las dispersiones resultantes se sonicaron durante 30 minutos. Las dispersiones de TiO2 se añadieron posteriormente a las soluciones de PVA y se agitaron magnéticamente durante 2 h. Siguiendo estos procedimientos se lavaron con etanol, se centrifugaron y se secaron al vacío para obtener las nanopartículas de TiO2 recubiertas con el polímero.

3. Síntesis de los nanofluidos

La síntesis de nanofluidos no es una simple mezcla de un sólido en un líquido. Requiere un tratamiento especial para asegurar que no hay aglomerados de nanopartículas y que se obtiene una dispersión estable para la aplicación final. Los nanofluidos se han preparado aplicando el método en dos etapas consistente en la dispersión de TiO2-PVA

nanopartículas en agua destilada en diferentes concentraciones volumétricas,como se muestra en la Tabla 2. La fracción de volumen sólido (u) fue obtenido usando la ecuación (1).

Las propiedades físicas de las nanopartículas de TiO2 y el fluido base(agua) se muestran en la Tabla 3.Para la dispersión y homogeneización de las nanopartículas,ultrasonidos (Hielscher Ultrasound Technology, UP100H, 100 W,30 kHz) durante 30 minutos a una amplitud del 100%. Todos los procesos se llevaron a cabo a temperatura ambiente. El método de dos pasos se dirigió a la síntesis de nanofluidos con suspensiones homogéneas sin la aglomeración de partículas oa largo plazo estabilidad.

Figura 4.Vista esquemática del equipo utilizado para medir la conductividad térmica. Tomado de: Oliveira, Silva, Dantas & Bandarra Filho, 2017

Figura 5.(a) patrones de difracción de rayos X y (b) espectro micro-Raman de TiO2 puro

nanopartículas con recocido térmico a 500 ° C / 1 h. Tomado de: Oliveira, Silva, Dantas & Bandarra Filho, 2017.

4. Medición de la conductividad térmica del nanofluido

La conductividad térmica se midió utilizando equipo adquirido de Linseis, modelo THB-1. Este equipo utiliza el transitorio puente (THB), similar al método de cable caliente transitorio,pero presenta una precisión mejorada y una incertidumbre reducida. Esta método está libre de efectos perturbadores y compensación. La medida la incertidumbre del equipo es ± 2%, según lo especificado por el fabricante y la desviación entre cada medición fue del 2,4%.La sonda se sumergió en las muestras de nanofluido y el ordenador,con 10 mediciones por ciclo, realizó la medición automática.La figura 3 muestra la vista esquemática del equipo.Las muestras de nanofluido se mantuvieron en un recipiente cilíndrico de acero inoxidable,con la sonda THB insertada. A diferentes temperaturas estipuladas,las muestras se sumergieron a temperatura constante.

5. Medición de la viscosidad del nanofluido

La viscosidad dinámica se midió en un viscosímetro cilíndrico rotacional. La medición se basó en un par de 50 PNm. Las mediciones se realizaron a temperaturas controladas de 20-50ºC. Las muestras fueron inyectadas en el dispositivo y el cálculo de la viscosidad dinámica hecha a partir de la velocidad del rotor. Cada experimento se realizó cuatro veces a velocidades de rotación constantes y se calcularon los valores medios.

Referencia:

Oliveira, L., Silva, A., Dantas, N., & Bandarra Filho, E. (2017). Thermophysical properties of TiO 2 -PVA/water nanofluids. International Journal Of Heat And Mass Transfer, 115, 795-808. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.07.094