CN104497990A - 一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质及制备方法，所述太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，即将氧化石墨添加到乙二醇水溶液传热工质中，经超声振荡形成太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体，氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.1-10mg：1mL的比例计算。该太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质可长期稳定存在，其导热系数可达0.48-0.83W/mK，即其导热系数相对于传统的乙二醇水溶液可提高50%以上，太阳能热水器水箱温度最高可提高5℃左右。并且该太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质制备工艺简单，成本低，可规模化生产及应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能热水器的传热工质，特别涉及一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质及制备方法，即将氧化石墨添加到太阳能热水器现用乙二醇水溶液传热工质中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质。
背景技术
太阳能是最为常见的可再生能源之一，对其高效利用是实现节能降耗和能源可持续发展的一条重要途径。其中，平板型太阳能热水器热效率高、结构简单、承压性好、与建筑一体化程度高，成为当今太阳能利用研究的热点。太阳能集热器是太阳能利用系统的动力或核心装置。传热工质是将集热器所吸收的太阳能辐射输运至水箱并与水进行换热的关键媒介，其导热性能无疑是决定太阳能热水器性能的重要指标之一。目前，太阳能热水器主要采用防冻液，如乙二醇水溶液，作为传热工质。该工质抗低温性较好，冰点可达-30℃，但导热系数较低，为0.3-0.4W/mK，由此造成工质换热性能较差，直接影响太阳能热水器效率，已经成为制约太阳能热水器技术发展的一个主要障碍环节。
最近，研究人员提出纳米流体概念，即在传统传热流体中添加纳米粒子，提高工质导热系数，强化工质传热性能，显示了其在能源传递领域的广阔应用前景。目前相关研究多采用Ag、Cu、Ni、CuO、Al2O3、TiO2、ZnO等金属或金属氧化物纳米粒子以及更轻质且更高导热的碳基纳米粒子，如碳纳米管CNT，作为纳米流体的添加相。纳米流体的均匀稳定性是其导热强化的前提。然而，金属或金属氧化物纳米流体在长期静置后会发生聚沉现象；或者在制备过程中必须使用表面活性剂，而表面活性剂的存在会对纳米流体的热物性产生影响，且一旦表面活性剂发生老化变质，纳米流体的稳定性就难以得到保证。另外，纳米金属在纳米流体环境中常呈现较差的化学稳定性。CNT纳米流体稳定性较好，导热性能提高可达50%，但CNT制备工艺复杂、价格昂贵，并且其在纳米流体中的分散工艺难度大，这些在很大程度上限制了其作为新型传热工质的实际应用。
可见，太阳能热水器的现用乙二醇水溶液传热工质导热系数低，使得太阳能热水器系统的热效率低，无法满足实际应用要求；目前主要采用在乙二醇水溶液中添加金属、金属氧化物或者碳纳米管等纳米粒子形成纳米流体，提高导热系数，但其制备工艺难度大，成本高，尚无法取代现用传热工质。
发明内容
本发明的目的是为了解决太阳能热水器纳米流体传热工质现有技术存在制备工艺难度大、成本高等技术问题而提供一种制备工艺简单、成本低、长期稳定、导热性能好的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质。
本发明的目的之二是提供上述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法。
本发明的技术方案
一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，将氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.1-10mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为10-50%。
上述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法，具体步骤如下：
（1）、氧化石墨制备
将纯度大于99.5%的天然石墨粉、硝酸钠和质量百分比浓度为98%的浓硫酸按质量比为1:1:100进行混合后于冰水浴中冷却至4℃以下，搅拌条件下加入高锰酸钾，然后继续在搅拌条件下控制温度10℃以下进行反应2h，然后在35℃油浴中继续搅拌反应0.5h，然后搅拌条件下加入去离子水，在90-100℃油浴中继续搅拌反应0.5h，反应结束后室温冷却，然后加入体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液，继续搅拌15min后过滤，所得的滤饼依次用质量百分比浓度为10%的盐酸溶液和去离子水进行洗涤，直至流出液中无硫酸根被检测到为止，所得的滤饼在控制温度为60℃的真空干燥箱中进行干燥，得到氧化石墨；
高锰酸钾的加入量，按质量比计算，高锰酸钾：石墨粉为3:1；
反应过程中去离子水的加入量，按质量比计算，去离子水：石墨粉为100:1；
体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液的加入量，按石墨粉：体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液为1g:3mL的比例计算；
（2）、将步骤（1）所得的氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，在功率为300W、频率为20kHz下超声振荡2h，即得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨的加量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.1-10mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为10-50%。
本发明的有益效果
本发明的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，所涉及氧化石墨制备工艺简单，并且所得的氧化石墨具有良好的亲水性和水解性，其添加到极性的乙二醇水溶液中，不需任何表面活性剂或者表面功能化处理，直接采用超声振荡即可剥离成氧化石墨烯纳米分散系，形成稳定的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，并且可稳定存在3个月以上；同时保持乙二醇水溶液良好的抗冻性，冰点可低于-30℃。
进一步，本发明的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的导热系数可达0.48-0.83W/mK，其导热系数相对于传统的乙二醇水溶液可提高50%以上，表明其在导热性能强化方面可与碳纳米管纳米流体相当，并且氧化石墨烯作为另一种新兴的碳基纳米材料，其制备成本远低于碳纳米管，而且在溶液中的分散工艺简单，是制备均匀、稳定、高导热纳米流体的理想添加相；采用本发明的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体代替传统的乙二醇水溶液传热工质，太阳能热水器水箱温度最高可提高5℃左右。
综上所述，本发明的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，可以有效提高太阳能热水器系统的热效率，且制备工艺简单，成本低，易推广应用。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
实施例1
一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，将氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.5mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为50%。
上述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法，具体步骤如下：
（1）氧化石墨制备
将5g纯度大于99.5%的天然石墨粉、5g硝酸钠和500g质量百分比浓度为98%的浓硫酸按质量比为1:1:100进行混合后于冰水浴中冷却至4℃以下，搅拌条件下加入15g高锰酸钾，然后继续在搅拌条件下控制温度10℃以下进行反应2h，然后在35℃油浴中继续搅拌反应0.5h，然后搅拌条件下加入500mL去离子水，在90-100℃油浴中继续搅拌反应0.5h，反应结束后室温冷却，然后加入15mL体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液，继续搅拌15min后过滤，所得的滤饼依次用质量百分比浓度为10%的盐酸溶液和去离子水进行洗涤，直至流出液中无硫酸根被检测到为止，所得的滤饼在控制温度为60℃的真空干燥箱中进行干燥，得到氧化石墨；
（2）、将步骤（1）所得的氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，在功率为300W、频率为20kHz下超声振荡2h，即得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨的加量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.5mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为50%。
上述所得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质可稳定存在3个月以上，其冰点约为-38℃，其导热系数为0.48W/mK，比体积百分比浓度为50%的乙二醇水溶液的导热系数提高了24%。
将上述所得的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体用作太阳能热水器的传热工质，测试结果表明，与体积百分比浓度为50%的乙二醇水溶液作为传热工质相比，在一天（七月份，早上六点到下午六点）中，水箱热水温度最高可提高2.9℃。
实施例2
一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，将氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为10mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为40%。
上述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法，步骤如下：
（1）、氧化石墨制备
同实施例1；
（2）、将步骤（1）所得的氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，在功率为300W、频率为20kHz下超声振荡2h，即得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨的加量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为10mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为40%。
上述所得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质可稳定存在3个月以上，其冰点约为-25℃，其导热系数为0.67W/mK，比体积百分比浓度为40%的乙二醇水溶液的导热系数提高了59%。
将上述所得的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体用作太阳能热水器的传热工质，测试结果表明，与体积百分比浓度为40%的乙二醇水溶液作为传热工质相比，在一天（七月份，早上六点到下午六点）中，水箱热水温度最高可提高4.7℃。
实施例3
一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，将氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为1mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为30%。
上述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法，步骤如下：
（1）、氧化石墨制备
同实施例1；
（2）、将步骤（1）所得的氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，在功率为300W、频率为20kHz下超声振荡2h，即得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨的加量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为1mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为30%。
上述所得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质可稳定存在3个月以上，其冰点约为-16℃，其导热系数为0.54W/mK，比体积百分比浓度为30%的乙二醇水溶液的导热系数提高了18%。
将上述所得的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体用作太阳能热水器的传热工质，测试结果表明，与体积百分比浓度为30%的乙二醇水溶液作为传热工质相比，在一天（七月份，早上六点到下午六点）中，水箱热水温度最高可提高2.8℃。
实施例4
一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，将氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.1mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为20%。
上述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法，步骤如下：
（1）、氧化石墨制备
同实施例1；
（2）、将步骤（1）所得的氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，在功率为300W、频率为20kHz下超声振荡2h，即得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨的加量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.1mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为20%。
上述所得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质可稳定存在3个月以上，其冰点约为-9℃，其导热系数为0.54W/mK，比体积百分比浓度为20%的乙二醇水溶液的导热系数提高了7%。
将上述所得的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体用作太阳能热水器的传热工质，测试结果表明，与体积百分比浓度为20%的乙二醇水溶液作为传热工质相比，在一天（七月份，早上六点到下午六点）中，水箱热水温度最高可提高1.6℃。
实施例5
一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，将氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为5mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为10%。
上述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法，步骤如下：
（1）、氧化石墨制备
同实施例1；
（2）、将步骤（1）所得的氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，在功率为300W、频率为20kHz下超声振荡2h，即得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质；
氧化石墨的加量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为5mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为10%。
上述所得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质可稳定存在3个月以上，其冰点约为-4℃，其导热系数为0.83W/mK，比体积百分比浓度为10%的乙二醇水溶液的导热系数提高了51%。
将上述所得的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体用作太阳能热水器的传热工质，测试结果表明，与体积百分比浓度为10%的乙二醇水溶液作为传热工质相比，在一天（七月份，早上六点到下午六点）中，水箱热水温度最高可提高5.3℃。
综上所述，本发明的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，在优选的技术方案中，与现有乙二醇水溶液传热工质相比，导热系数提高可达50%以上，同时太阳能热水器水箱温度最高可提高5℃左右，即有效提高了太阳能热水器系统的热效率。并且本发明的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质制备工艺简单，操作方便，可规模化生产。
以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，其特征在于所述的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，即将氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，经超声振荡形成的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体；
氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.1-10mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为10-50%。
2.如权利要求1所述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，其特征在于所述的氧化石墨通过包括如下步骤的方法制备而成：
将纯度大于99.5%的天然石墨粉、硝酸钠和质量百分比浓度为98%的浓硫酸按质量比为1:1:100进行混合后于冰水浴中冷却至4℃以下，搅拌条件下加入高锰酸钾，然后继续在搅拌条件下控制温度10℃以下进行反应2h，然后在35℃油浴中继续搅拌反应0.5h，然后搅拌条件下加入去离子水，在90-100℃油浴中继续搅拌反应0.5h，反应结束后室温冷却，然后加入体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液，继续搅拌15min后过滤，所得的滤饼依次用质量百分比浓度为10%的盐酸溶液和去离子水进行洗涤，直至流出液中无硫酸根被检测到为止，所得的滤饼在控制温度为60℃的真空干燥箱中进行干燥，得到氧化石墨；
高锰酸钾的加入量，按质量比计算，高锰酸钾：石墨粉为3:1；
反应过程中去离子水的加入量，按质量比计算，去离子水：石墨粉为100:1；
体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液的加入量，按石墨粉：体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液为1g:3mL的比例计算。
3.如权利要求2所述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，其特征在于氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.5mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为50%。
4.如权利要求2所述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，其特征在于氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为10mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为40%。
5.如权利要求2所述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，其特征在于氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为1mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为30%。
6.如权利要求2所述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，其特征在于氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为0.1mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为20%。
7.如权利要求2所述的一种太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质，其特征在于氧化石墨和乙二醇水溶液的用量，按氧化石墨：乙二醇水溶液为5mg：1mL的比例计算；
所述的乙二醇水溶液中，乙二醇的体积百分比浓度为10%。
8.如权利要求1-7任一所述的太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）、氧化石墨制备
将纯度大于99.5%的天然石墨粉、硝酸钠和质量百分比浓度为98%的浓硫酸按质量比为1:1:100进行混合后于冰水浴中冷却至4℃以下，搅拌条件下加入高锰酸钾，然后继续在搅拌条件下控制温度10℃以下进行反应2h，然后在35℃油浴中继续搅拌反应0.5h，然后搅拌条件下加入去离子水，在90-100℃油浴中继续搅拌反应0.5h，反应结束后室温冷却，然后加入体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液，继续搅拌15min后过滤，所得的滤饼依次用质量百分比浓度为10%的盐酸溶液和去离子水进行洗涤，直至流出液中无硫酸根被检测到为止，所得的滤饼在控制温度为60℃的真空干燥箱中进行干燥，得到氧化石墨；
高锰酸钾的加入量，按质量比计算，高锰酸钾：石墨粉为3:1；
反应过程中去离子水的加入量，按质量比计算，去离子水：石墨粉为100:1；
体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液的加入量，按石墨粉：体积百分比浓度为30%的双氧水水溶液为1g:3mL的比例计算；
（2）、将步骤（1）所得的氧化石墨添加到乙二醇水溶液中，在功率为300W、频率为20kHz下超声振荡2h，即得太阳能热水器用氧化石墨烯纳米流体传热工质。
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