Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật hóa học tổng hợp vật liệu chuyển pha pyrogallol

Khám phá đồ án tốt nghiệp về công nghệ kỹ thuật hóa học, tổng hợp vật liệu chuyển pha pyrogallol và ứng dụng trong ngành công nghiệp.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

khóa luận tốt nghiệp

2024

63
3
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.4. Vật liệu lưu trữ nhiệt năng

1.5. Vật liệu chuyển pha

1.6. Phân loại PCM

1.7. Vật liệu xốp

1.8. Khả năng chuyển đổi quang/điện-nhiệt

1.9. Chuyển đổi quang-nhiệt

1.10. Chuyển đổi điện-nhiệt

1.11. Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCM

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu

2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất

2.1.2. Thiết bị nghiên cứu

2.2. Quy trình thực nghiệm. Quy trình kiểm tra độ bền vòng lặp của mẫu 80 wt% PYL/EG SSPCM

2.3. Quy trình kiểm tra độ rò rỉ mẫu PYL và PYL/EG SSPCM

2.4. Các phương pháp phân tích đánh giá

2.4.1. Kính hiển vi điện tử quét

2.4.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

2.4.3. Nhiễu xạ tia X

2.4.4. Phân tích nhiệt lượng quét vi sai

2.4.5. Phân tích nhiệt trọng lượng

2.4.6. Đánh giá khả năng chuyển đổi quang/điện-nhiệt

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Phân tích hình thái cấu trúc

3.2. PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG TƯƠNG THÍCH HÓA HỌC

3.3. ĐẶC TÍNH NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PYL/EG SSPCM

3.3.1. Đặc tính tinh thể của các mẫu SSPCM và PYL

3.4. ĐỘ BỀN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PYL/EG SSPCM

3.5. KHẢ NĂNG CHỐNG RÒ RỈ

3.6. ĐỘ BỀN VÒNG LẶP CỦA VẬT LIỆU PYL/EG SSPCM

3.7. KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ÁNH SÁNG-NHIỆT

3.8. KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN-NHIỆT

Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Vật Liệu Chuyển Pha Pyrogallol Expanded Graphite

Nghiên cứu về vật liệu chuyển pha (PCM) đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả. Vật liệu pyrogallol kết hợp với expanded graphite (EG) đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ trung bình. Việc tìm hiểu về tính chất và ứng dụng của chúng là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất lưu trữ nhiệt.

1.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu chuyển pha hiện nay

Nghiên cứu hiện tại cho thấy vật liệu chuyển pha có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế đã chỉ ra rằng việc sử dụng EG giúp cải thiện độ ổn định và khả năng dẫn nhiệt của PCM.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng pyrogallol và expanded graphite

Sự kết hợp giữa pyrogallolexpanded graphite không chỉ giúp tăng cường khả năng lưu trữ nhiệt mà còn giảm thiểu hiện tượng rò rỉ trong quá trình chuyển pha. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực năng lượng.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Vật Liệu Chuyển Pha

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc phát triển vật liệu chuyển pha vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ ổn định hình dạng, khả năng dẫn nhiệt thấp và hiện tượng siêu lạnh cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của PCM.

2.1. Độ ổn định hình dạng của vật liệu chuyển pha

Một trong những thách thức lớn nhất là duy trì độ ổn định hình dạng của PCM trong quá trình chuyển pha. Việc sử dụng EG có thể giúp cải thiện vấn đề này, nhưng cần có thêm nghiên cứu để đảm bảo tính ổn định lâu dài.

2.2. Khả năng dẫn nhiệt và hiện tượng siêu lạnh

Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu chuyển pha thường thấp, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất lưu trữ nhiệt. Hiện tượng siêu lạnh cũng là một vấn đề cần được khắc phục để đảm bảo PCM hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp Nghiên Cứu Vật Liệu Chuyển Pha Pyrogallol Expanded Graphite

Phương pháp nghiên cứu chính trong việc tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) là ngâm tẩm dung môi. Phương pháp này giúp cải thiện khả năng lưu trữ nhiệt và độ ổn định của PCM.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu SSPCM

Quy trình tổng hợp SSPCM bao gồm việc ngâm tẩm pyrogallol vào expanded graphite. Kết quả cho thấy khả năng giam giữ pyrogallol lên tới 80wt% mà không xảy ra hiện tượng rò rỉ.

3.2. Phân tích và đánh giá tính chất vật liệu

Các phương pháp phân tích như DSC, TGA và XRD được sử dụng để đánh giá tính chất nhiệt và cấu trúc của SSPCM. Kết quả cho thấy SSPCM có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao và độ ổn định tốt.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Vật Liệu Chuyển Pha

Vật liệu pyrogallol/expanded graphite có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực lưu trữ nhiệt. Chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời và các ứng dụng công nghiệp khác.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời

Vật liệu SSPCM có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành nhiệt năng, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

4.2. Tiềm năng trong các ứng dụng công nghiệp

Với khả năng lưu trữ nhiệt cao, SSPCM có thể được ứng dụng trong các quy trình công nghiệp cần duy trì nhiệt độ ổn định, từ đó tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Vật Liệu Chuyển Pha

Nghiên cứu về vật liệu chuyển pha pyrogallol/expanded graphite mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện khả năng dẫn nhiệt và độ ổn định của SSPCM để mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tiềm năng phát triển vật liệu mới

Việc phát triển các vật liệu nano và các hợp chất mới có thể giúp nâng cao hiệu suất của vật liệu chuyển pha, từ đó đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng ngày càng cao.

10/07/2025
Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật hóa học tổng hợp vật liệu chuyển pha pyrogallol

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2023, TS. Nguyễn Tiến Giang [6] giảng viên của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã cùng với các cộng sự nghiên cứu sử dụng Glutaric acid (GA) và expanded graphite (EG) điều chế thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) GA/EG.

EG với độ xốp cao có thể giam giữ hàm lượng GA lên tới 85% mà không làm vật liệu bị rò rỉ, đồng thời duy trì độ kết tinh tuyệt vời của PCM do lực mao dẫn và sức căng bề mặt. Kết quả cho thấy SSPCM có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao lên tới 167 J/g và độ kết tinh lên tới 96,8%. Ngoài ra, SSPCM còn giúp ngăn chặn hiện tượng siêu lạnh của GA xuống dưới 5 oC, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng thực tế do sự thay đổi về cả nhiệt độ nóng chảy và đông đặc. SSPCM cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ dẫn nhiệt và tốc độ nạp/thải nhiệt so với GA tinh khiết.

Cuối cùng, độ bền vòng lặp của SSPCM 85% GA/EG đã được nghiên cứu lên tới 300 vòng, khiến vật liệu trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt lâu dài ở nhiệt độ tầm trung. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 2013, Shuping Wang cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu phát triển vật liệu composite sebacic acid (SA)/expanded graphite (EG) cho lưu trữ năng lượng mặt trời ở nhiệt độ tầm trung. Kết quả cho thấy tỷ lệ phần trăm khối lượng SA trong CPCM SA/EG tối đa lên tới 85% mà tại đó không xảy ra hiện tượng rò rỉ. CPCM với 85wt% SA có nhiệt độ chuyển pha 128oC và nhiệt tiềm ẩn lên tới 187 J/g.

Bài nghiên cứu chỉ ra rằng việc thêm SA vào EG giúp làm giảm hiện tượng siêu lạnh, cũng như tăng độ bền nhiệt và độ dẫn nhiệt khi so sánh với SA tinh khiết. Với những tính chất nhiệt và khả năng ổn định của mình, CPCM SA/EG cho thấy sự tiềm năng cho việc ứng dụng vào hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn. Năm 2014, Chang-Bo Wu cùng cộng sự [8] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu chuyển pha bằng cách đưa Tris(hydroxymethyl)methyl aminomethane (Tris) vào SiO2 bằng phương pháp sol-gel. Kết quả thu được vật liệu Tris@SiO2 với khả năng lưu trữ tốt, giúp ngăn chặn sự rò rỉ của Tris ra bên ngoài.

Việc sử dụng SiO2 làm vật liệu lưu trữ còn giúp tăng 1 gấp đôi độ dẫn nhiệt của CPCM lên 0,478 W/(m.K) so với Tris tinh khiết. Kết quả DSC cho thấy vật liệu Tris@SiO2 có khoảng chuyển pha thuận nghịch từ 110-155 oC với khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn khoảng 146 J/g và thể hiện độ bền vòng lặp sau 70 chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Vật liệu cho thấy tiềm năng của chúng trong việc ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ trung bình. Năm 2018, Qi Zhang và cộng sự [9] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu chuyển pha Sebacic acid (SA) bằng cách bao bọc bằng ống carbon (CNTs).

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu tổng hợp được có nhiệt độ nóng chảy lên tới 121.1 oC và nhiệt tiềm ẩn khoảng 131. CPCM có thể duy trì độ ổn định sau 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh mà không xảy ra hiện tượng rò rỉ. Độ dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp được tăng gấp 27 lần so với SA tinh khiết. Thêm vào đó, CPCM cho thấy hiệu suất quang nhiệt tuyệt vời dưới bức xạ của ánh sáng mặt trời mô phỏng, cho thấy tiềm năng của CPCM cho các ứng dụng năng lượng mặt trời.

Năm 2021, Ha Soo Hwang cùng với các cộng sự [10] đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng CPCM từ azelaic acid/expanded graphite (AA/EG) cho lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ tầm trung. Kết quả cho thấy vật liệu có nhiệt độ siêu lạnh thấp, khả năng lưu trữ nhiệt cao và khả năng giam giữ AA bên trong EG lên tới 85%wt mà không làm vật liệu bị rò rỉ. AA với nhiệt độ nóng chảy 108oC và mức độ siêu lạnh 5,8oC. Việc đưa AA vào EG làm cho nhiệt độ nóng chảy của vật liệu giảm xuống còn 105,8oC và độ siêu lạnh giảm xuống 1oC.

CPCM AA/EG có khả năng lưu trữ nhiệt cao với nhiệt tiềm ẩn 162,5 J/g. Độ bền vòng lặp của CPCM được thử nghiệm qua 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh cho thấy độ bền nhiệt cao và độ ổn định hóa học của vật liệu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ dẫn nhiệt của vật liệu CPCM tăng lên gấp 15,7 lần so với AA tinh khiết, cũng như khả năng lưu trữ/giải phóng năng lượng của vật liệu nhanh hơn lần lượt là 5 và 7,4 lần so với AA tinh khiết do ảnh hưởng của EG trong vật liệu. Năm 2022, Yu Bai và các cộng sự [11] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu chuyển pha eutectic từ D-mannitol làm vật liệu chuyển pha và Kbr làm chất điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng CPCM 10wt% EG có nhiệt độ chuyển pha khoảng 136.88 oC, enthalpy chuyển pha cao (215.7 J/g) cùng với khả năng chuyển đổi quang nhiệt lên tới 81. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của CPCM 10wt% 2 được ghi nhận lên tới 6.K), cao gấp 10 lần so với D-mannitol tinh khiết. Với những tính chất nhiệt tuyệt vời, CPCM là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng và chuyển đổi quang nhiệt. Năm 2022, Feilong Shao và các công sự [12] đã nghiên cứu chế tạo CPCM bằng cách sử dụng vật liệu carbon xốp từ sinh khối (PC) và vật liệu chuyển pha acid adipic (AA).

Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt của hỗn hợp PCM AA + 7wt% PC lên tới 93,83%. Độ dẫn nhiệt của AA+7 wt% PC là 1,18 W/(m.K), cao hơn 149% so với AA nguyên chất (0,45 W/(m. CPCM có ưu điểm là không xảy ra hiện tượng siêu lạnh và nhiệt ẩn lên tới 195,05 J/g. Kết quả của bài nghiên cứu giúp ứng dụng chế tạo hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời từ các vật liệu giá thành rẻ, đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và thời gian.

Năm 2022, Chao Ma cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu tăng cường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu chuyển pha erythritol bằng cách phân tán vật liệu vào expanded graphite (EG). Kết quả cho thấy hỗn hợp PCM erythritol/EG với 2% EG có độ bền vòng lặp tốt nhất và cải thiện khả năng dẫn nhiệt một cách rõ rệt. Bài nghiên cứu cũng chỉ ra rằng bằng cách thêm vào 1% calcium pimelate (CaPi) giúp làm giảm quá trình siêu lạnh của CPCM. Hỗn hợp PCM 2%EG/1%CaPi/erythritol bắt đầu đông đặc ở 98,5°C và nhiệt độ cân bằng là khoảng 115°C trong suốt 100 chu kỳ.

Nhiệt ẩn của vật liệu là 352,66 J/g và độ dẫn nhiệt là 1,287 W/(m.K), cao hơn 52,5% so với erythritol tinh khiết. Từ những kết quả nghiên cứu trên, vật liệu tổng hợp được trở thành ứng cử viên mới ứng dụng trong lĩnh vực thu hồi nhiệt thải, hấp thụ năng lượng mặt trời ở nhiệt độ tầm trung và các lĩnh vực khác. Năm 2023, Huan Wang cùng với các cộng sự [14] nghiên cứu chế tạo vật liệu CPCM ứng dụng cho nhiệt độ tầm trung sử dụng d-mannitol (DM) làm vật liệu chuyển pha, polyethylene mật độ cao (HDPE) làm vật liệu hỗ trợ và expanded graphite (EG) làm vật liệu lưu trữ và cải thiện khả năng dẫn nhiệt. Kết quả cho thấy trong số các mẫu đã chuẩn bị, CPCM3 (26,4 % HDPE + 61,6 % DM + 12 % EG) có độ dẫn nhiệt cao nhất; lên tới 2,66 W/(m.K), cao hơn 6,04 lần so với hỗn hợp HDPE/DM.

CPCM3 còn có các đặc tính thuận lợi khác như nhiệt độ nóng chảy khoảng 163,2 °C, nhiệt ẩn cao 224,1 J/g, nhiệt độ siêu lạnh 37,4 °C và nhiệt độ phân hủy 411,3 °C. Nghiên cứu có ý nghĩa giúp cung 3 cấp ý tưởng thiết kế cho vật liệu lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ tầm trung ứng dụng cho các hệ thống lưu trữ nhiệt hiện đại trong tương lai. Vật liệu lưu trữ nhiệt năng Lưu trữ nhiệt năng (Thermal Energy Storage (TES)) là hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt được thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ lưu trữ nhiệt khi làm nóng hoặc làm lạnh hệ thống. Điều này cho phép năng lượng được dự trữ nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau như sưởi ấm, làm mát, thu hồi nhiệt.

Việc sử dụng TES giúp bảo toàn năng lượng, khắc phục tình trạng mất cân bằng cung-cầu năng lượng, giảm chi phí đầu tư và vận hành, từ đó làm tăng hiệu quả sự dụng năng lượng cũng như giảm thiểu khí thải CO2 và các chất gây ô nhiễm môi trường.[15] Trong hệ thống TES, năng lượng trãi qua 3 bước để có thể lưu trữ và sử dụng sau này, 3 bước gồm: sạc, lưu trữ và thải nhiệt tạo thành một chu kì nhiệt được mô tả ở hình 1.1: Chu trình lưu trữ năng lượng của hệ thống TES [16]. Có thể phân loại hệ thống lưu trữ lượng nhiệt thành: lưu trữ nhiệt hiện, lưu trữ nhiệt ẩn và lưu trữ nhiệt hóa học. Lưu trữ nhiệt hiện Lưu trữ nhiệt hiện (Sensible Heat Storage – SHS) là quá trình lưu trữ nhiệt xảy ra khi thay đổi nhiệt độ của hệ nhưng không làm hệ chuyển pha. Lượng nhiệt lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng, nhiệt dung riêng và sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu lưu trữ [17].

Các loại vật liệu thường được sử dụng trong hệ thống SHS có thể kể đến như: nước, dầu, ceramic, kim loại,.[18] Ưu điểm đáng chú ý của hệ thống SHS chính là giá thành rẻ và vật liệu sử dụng không độc hại.[19] Tuy nhiên, một vài nhược điểm có thể kể đến của 4 hệ thống này là mật độ năng lượng thấp, sự thất thoát năng lượng ở bất kỳ nhiệt độ nào. Lượng nhiệt lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng và ẩn nhiệt quá trình chuyển pha của vật liệu [17]. Quá trình chuyển pha thường là quá trình chuyển pha rắn-lỏng hoặc rắn-rắn. Vật liệu được sử dụng cho hệ thống LHS là vật liệu chuyển pha (Phase Change Materials – PCM).

Một số vật liệu chuyển pha có thể kể đến như nước, acid béo, paraffin, ester, muối hydrate. Một số ưu điểm có thể nhắc đến của LHS sử dụng là khả năng lưu trữ năng lượng cao, chi phí rẻ. Nhưng một số nhược điểm mà LHS mắc phải như: độ dẫn nhiệt kém, độ ổn định, tính chống ăn mòn là những vấn đề cần giải quyết [18].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên Cứu Vật Liệu Chuyển Pha Pyrogallol/Expanded Graphite Cho Ứng Dụng Lưu Trữ Nhiệt Tại Nhiệt Độ Trung Bình" cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc phát triển vật liệu chuyển pha, đặc biệt là sự kết hợp giữa pyrogallol và graphite mở rộng. Nghiên cứu này không chỉ làm rõ các đặc tính nhiệt của vật liệu mà còn chỉ ra tiềm năng ứng dụng của chúng trong lưu trữ nhiệt, giúp cải thiện hiệu suất năng lượng trong các hệ thống nhiệt. Độc giả sẽ tìm thấy những thông tin quý giá về cách mà vật liệu này có thể được ứng dụng trong thực tiễn, từ đó mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực vật liệu.

Để mở rộng kiến thức của bạn về các vật liệu nano và ứng dụng của chúng, bạn có thể tham khảo tài liệu Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano spinel nife2o4 sử dụng tác nhân malonic acid, nơi bạn sẽ tìm thấy thông tin về các vật liệu nano khác và ứng dụng của chúng trong công nghệ hiện đại. Ngoài ra, tài liệu Luận văn nghiên cứu chế tạo và xác định hình thái cấu trúc tính chất của vật liệu compozit polylactic axit và thạch cao cũng sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn về các vật liệu compozit và tính chất của chúng. Cuối cùng, bạn có thể tìm hiểu thêm về Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc và oxit graphene nhằm ứng dụng trong cảm biến môi trường, tài liệu này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về ứng dụng của vật liệu nano trong lĩnh vực cảm biến. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và khám phá thêm nhiều khía cạnh thú vị trong nghiên cứu vật liệu.