나노입자 및 초음파로 제어되는 물의 과냉각

결과 및 토론

나노 입자와 초음파로 별도로 제어되는 과냉각 수위

나노입자가 있는 물과 나노입자가 없는 물 응고에 필요한 과냉각도의 비율(R ₁ =ΔT _N /ΔT _W ) 다른 나노 입자 농도에서 그림 3에 나와 있습니다. 측정된 순수한 물의 과냉각도(ΔT _W )는 약 11.6°C입니다. 과냉각도 비율 R ₁ 는 <1이고 나노입자 농도가 증가함에 따라 감소하며, 이는 Al₂ O₃ 및 SiO₂ 나노 입자는 예상대로 물의 얼음 핵 생성을 촉진할 수 있습니다. 알₂ O₃ 나노 입자는 SiO₂에 비해 접촉각이 더 작기 때문에 분명히 더 강한 핵 형성 효과가 있습니다. 나노 입자. 예를 들어, 0.6wt.% SiO₂를 추가하면 물의 과냉각도가 28.3% 감소합니다. 같은 농도에서 Al₂ O₃ 나노 입자는 물의 과냉각도를 37.4%까지 낮출 수 있습니다. SiO₂의 핵형성 효과 약화 큰 접촉각으로 인한 나노 입자는 나노 입자 농도를 증가시켜 보상할 수 있습니다. 그림 1과 같이 SiO₂의 농도를 높여 과냉각도를 37.1% 감소시킬 수 있습니다. 나노 입자를 0.8wt.%로 그림 1은 또한 물의 과냉각 정도에 대한 초음파의 영향을 보여줍니다. 초음파를 사용하지 않은 물과 초음파를 사용하여 응고시키는 데 필요한 과냉각도의 비율(R ₂ =ΔT _U /ΔT _W )는 <1이며, 이는 초음파에 의해 생성된 캐비테이션 기포가 핵제로 작용하여 물의 얼음 핵 생성을 촉진할 수 있음을 시사합니다. 초음파의 이러한 핵 형성 효과는 초음파 강도를 증가시켜 향상될 수 있습니다. 이 연구에서 1.27W cm ^-2 의 초음파 강도에서 물의 과냉각도를 83.1% 감소시킬 수 있습니다. .

초음파와 나노입자가 물의 과냉각도에 미치는 영향. ΔT _U /ΔT _W 초음파를 사용하지 않은 물과 초음파를 사용하여 응고하는 데 필요한 과냉각도의 비율을 나타냅니다. ΔT _N /ΔT _W 나노입자가 있는 물과 나노입자가 없는 물 응고에 필요한 과냉각도의 비율을 나타냅니다.

나노입자와 초음파가 상호 제어하는 ​​과냉각 수위

그림 4는 물의 과냉각도에 대한 나노 입자와 초음파의 결합된 효과를 보여줍니다. 나노입자 및 초음파가 없는 물과 나노입자 및 초음파가 있는 물 응고에 필요한 과냉각도의 비율(R ₃ =ΔT _N-U /ΔT _W )는 <1이며, 이는 나노입자와 초음파를 함께 ​​사용하면 응고 시 물의 얼음 핵 생성을 촉진할 수 있음을 나타냅니다. 이러한 나노입자 및 초음파의 핵형성 효과는 나노입자 농도 및 초음파 강도와 밀접한 관련이 있습니다. 예를 들어, Al₂에서 물의 과냉각도가 63.7% 감소할 수 있습니다. O₃ 초음파 강도가 0.14에서 1.27W cm ^-2 로 증가할 때 0.2wt.%의 나노입자 농도 . 1.27W cm ^-2 의 초음파 강도에서 물의 과냉각도를 58.1% 감소시킬 수 있습니다. Al₂일 때 O₃ 나노 입자 농도는 0.2에서 1.0wt.%로 증가합니다. 나노 입자의 접촉각도 초음파와 나노 입자의 결합 효과에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. Al₂로 제어되는 과냉각 수온 O₃ 나노 입자는 SiO₂에 의해 제어되는 나노 입자와 비교하여 분명히 더 낮습니다. 동일한 나노 입자 농도 및 초음파 강도 조건에서 나노 입자. 예를 들어, 물 응고에 필요한 과냉각도는 Al₂의 경우 70.6% 감소합니다. O₃ 농도 0.6wt.% 및 초음파 강도 0.69Wcm ⁻² 의 나노입자 , 반면 SiO₂의 경우 과냉각도의 56.1% 감소만 얻어집니다. 동일한 조건에서 나노 입자. 과냉각도에서 동일한 70.6% 감소를 달성하려면 SiO₂에 대해 1.0wt.%의 더 높은 농도가 필요합니다. 접촉각이 큰 나노입자. 따라서 나노입자 농도와 초음파 강도를 증가시키고 나노입자의 접촉각을 감소시킴으로써 나노입자와 초음파를 함께 ​​이용하여 물의 얼음 핵형성을 촉진할 수 있다.

물의 과냉각도에 대한 초음파 및 나노 입자의 결합 효과 [a 알₂ O₃ 나노입자, b SiO₂ 나노 입자]. ΔT _N-U /ΔT _W 나노입자와 초음파가 없는 물과 나노입자와 초음파가 있는 물 응고에 필요한 과냉각도의 비율을 나타냅니다.

나노입자와 초음파에 의해 제어되는 물의 과냉각도 개별 및 상호 비교

나노 입자와 초음파가 동시에 물의 얼음 핵 생성에 영향을 미칠 때 최종 효과는 단순히 모든 개별 효과의 추가가 아닌 것으로 밝혀졌습니다. 즉, 나노 입자와 초음파를 함께 ​​사용하여 결정된 물의 과냉각 정도 감소는 실제로 개별적으로 결정된 감소의 합보다 낮습니다. 예를 들어, 물의 과냉각도는 Al₂에서 70.6% 감소합니다. O₃ 나노입자 농도 0.6wt.% 및 초음파 강도 0.69Wcm ⁻² (그림 4a), 0.6wt.% 나노입자로 인한 37.4% 감소와 0.69W cm ^-2 에 의한 52.1% 감소의 합보다 작습니다. 초음파(그림 3). 또한, 나노입자 및 초음파에 의해 유도되는 물의 과냉각도 감소는 나노입자 개별에 의해 유도되는 것보다 항상 큰 반면, 나노입자 농도 및 초음파 강도에 따라 초음파 단독에 의해 유도되는 것보다 크거나 작을 수 있다. 예를 들어, 0.2wt.%의 나노입자 농도와 0.69Wcm ^-2 의 초음파 강도에서 물의 과냉각도가 47.2% 감소합니다. (그림 4a), 0.2wt.% Al₂로 인한 19.3% 감소보다 큽니다. O₃ 나노 입자이지만 0.69W cm ⁻² 로 인한 52.1% 감소보다 작음 초음파(그림 3). 그림 5는 개별 초음파에 대한 나노입자 및 초음파 상호간의 수응화에 대한 과냉각도의 비율을 보여줍니다(R ₄ =ΔT _N-U /ΔT _U ) 다른 나노 입자 농도 및 초음파 강도에서. 이 과냉각도 비율 R ₄ 나노입자 농도가 증가하고 초음파 강도가 감소함에 따라 물의 양이 감소합니다. 또한, 낮은 나노입자 농도와 높은 초음파 강도에서> 1이고 높은 나노입자 농도와 낮은 초음파 강도에서 <1입니다.

초음파 및 나노입자 상호 및 개별적으로 제어되는 물의 과냉각도 비교 [a 알₂ O₃ 나노입자, b SiO₂ 나노 입자]. ΔT _N-U /ΔT _U 나노입자와 초음파에 의한 물 응고에 필요한 과냉각도와 초음파에 의한 과냉각도의 비율을 나타냅니다.

본 연구에서는 과냉각도 비율이 R일 때 나노입자와 초음파의 결합 효과가 긍정적인 것으로 간주합니다. ₄ 과냉각도 비율이 R일 때 <1이고 음수입니다. ₄ 는> 1입니다. 이 두 상황에 대한 해당 제어 조건은 그림 6에 표시됩니다. 그림은 모든 과냉각도 비율 R ₄ 이 구분선 위의 영역(음의 영역)에서 모든 과냉각도 비율 R ₄> 1이고; 분할선 아래 영역(양의 영역)에서 모든 과냉각도 비율 R ₄ 는 <1. 나노입자 농도와 과냉각도 비율에 해당하는 초음파 강도 R ₄ 1의 임계 영역과 임계 강도로 각각 정의됩니다. 분명히, 나노 입자 농도와 초음파 강도 사이에는 일대일 대응이 존재합니다. 즉, 더 높은 나노입자 농도는 분할선에서 더 높은 초음파 강도에 해당합니다. 특정 초음파 세기에서 나노입자 농도가 임계농도보다 낮거나 초음파 세기가 특정 나노입자 농도에서 임계농도보다 높을 때 과냉각도 비율 R ₄ 물의 양은 음의 영역으로 떨어지고 반대로 양의 영역으로 떨어집니다. 또한 임계 나노 입자 농도와 초음파 강도는 나노 입자의 접촉각과 관련이 있음을 발견했습니다. Al₂ 비교 O₃ 및 SiO₂ 나노입자는 나노입자의 접촉각이 증가할 때 물의 적색 분할선이 나노입자 농도가 높은 방향과 초음파 강도가 낮은 방향으로 이동하여 나노입자와 초음파가 함께 제어하는 ​​양극 영역의 수축을 유도함을 보여줍니다. 예를 들어, 제어된 과냉각도 비율 R ₄ SiO₂에 의한 물 나노 입자는 0.4wt.% 나노 입자 농도 및 0.69Wcm ^-2 에서 양극 영역 대신 음극 영역에 위치합니다. Al₂로 제어되는 초음파 강도와 비교 O₃ 나노 입자.

물의 과냉각 정도에 대한 초음파 및 나노 입자의 다양한 효과를 보여주는 다이어그램 [a 알₂ O₃ 나노입자, b SiO₂ 나노 입자]. 파란색, 빨간색 및 녹색 점은 나노 입자 및 초음파를 사용한 물 응고에 필요한 과냉각도가 각각 초음파를 개별적으로 사용하는 것보다 낮거나 같으며 높음을 나타냅니다.

나노 입자와 초음파의 결합 효과로 응고된 물의 핵 생성 분석

포지티브 및 네거티브 영역에서 측정된 물 및 나노입자 현탁액의 일반적인 부피 변화는 그림 7에 나와 있습니다. 음의 영역에서는 큰 부피 변화가 명확하게 보이지만 긍정적인 영역에서는 완전히 없습니다. 우리가 아는 한, 정류 확산과 기포 유착이라는 두 가지 과정이 캐비테이션 기포의 성장을 제어하는 ​​데 관여합니다. 정류 확산은 희박 및 압축 주기 동안 기포 벽을 가로질러 균일하지 않은 질량 수송으로 인한 캐비테이션 기포의 성장을 나타냅니다. 거품의 팽창 단계(희귀) 동안 물에 용해된 가스는 거품으로 확산됩니다. 한편, 기포의 압축 단계(붕괴) 동안 기포 내부의 가스가 기포 밖으로 확산됩니다. 기포 유착은 작은 캐비테이션 기포가 합쳐져 ​​더 큰 기포를 형성하는 것을 의미합니다. 정류 확산에 의해 형성된 캐비테이션 기포와 달리 기포 유착에 의해 형성된 기포는 캐비테이션 사이클을 거치지 않고 붕괴되지 않습니다[28, 29]. 따라서 우리는 양극 및 음극 영역의 캐비테이션 기포가 각각 정류된 확산 및 기포 유착에 의해 형성될 수 있다고 추론합니다. 본 연구에서는 양의 영역과 음의 영역에서 물이 응고되는 동안 나노 입자의 분산 안정성도 조사했으며 결과는 위의 추론을 뒷받침합니다. 그림 7과 같이 흡광도 비율(R ₅ =A _A /아 _나 ) Al₂의 수성 현탁액 O₃ 나노 입자는 양의 영역에서 큰 변화가 없는 반면 음의 영역에서는 흡광도 비율이 크게 감소합니다. A _나 그리고 A _A 는 각각 응고/용융 사이클 전후의 나노입자 현탁액의 흡광도 값이다. 이 관찰은 수중 나노입자의 분산 안정성이 양의 영역에서 유지될 수 있지만 음의 영역에서 악화됨을 나타냅니다. 이 연구에서 큰 나노 입자 덩어리는 음의 영역에 나타나며 후속 용융 과정에서 빠르게 침전됩니다. 긍정적인 영역에서 나노 입자의 우수한 분산은 정류된 확산에 의해 형성된 기포의 붕괴를 따르는 캐비테이션 제트의 충돌에 기인할 수 있습니다. 네거티브 영역에서 나노 입자의 응집은 기포 유착에 의해 형성된 큰 기포에 나노 입자가 흡착되기 때문일 수 있습니다. 위의 포지티브 및 네거티브 영역에서 형성된 캐비테이션 기포에 대한 분석은 그림 8에 나와 있습니다.

Al₂의 부피 및 흡광도 변화 O₃ 다양한 나노입자 농도에서 외부 초음파로 인한 나노입자 현탁액

포지티브 및 네거티브 영역에서 형성된 캐비테이션 거품을 보여주는 개략도

나노입자와 캐비테이션 기포는 위에서 언급한 바와 같이 물의 과냉각 정도를 감소시키는 핵제로 작용할 수 있습니다. Given that nanoparticles can absorb and scatter the ultrasound energy, the number and size of the bubbles should be decreased. As a result, the nucleating effect of cavitation bubbles possibly weakens in the presence of nanoparticles. Therefore, the superiority of using nanoparticles and ultrasound mutually over using them separately on water solidification depends on whether the nucleating effect of foreign nanoparticles can compensate for the weakened effect of cavitation bubbles. Our experiment results show that in the positive zone (R ₄  < 1), the combined effect of nanoparticles and ultrasound is stronger than their respective effects but do not exceed the addition of these respective effects. This result suggests that the weakened effect of cavitation bubbles can be compensated in the positive zone. In the negative zone (R ₄  > 1), the cavitation bubbles with large sizes are formed through bubble coalescence pathway, and they have strong adsorption to nanoparticles. Consequently, the combined effect of nanoparticles and bubbles weaken due to the reduction of the total number of the two nucleation sites. This result may be the reason why the required supercooling degree for the nanoparticle- and ultrasound-induced nucleation of water is higher than that induced by ultrasound alone at the same ultrasonic intensity in the negative zone.

Generally, a certain energy barrier has to be overcome to realize the conversion of rectified-diffusion-induced bubbles to bubble-coalescence-induced bubbles. Correspondingly, the rectified-diffusion-induced bubbles can be converted into the bubble-coalescence-induced bubbles by increasing the intensity of ultrasound to some extent. Furthermore, adding nanoparticles with water can favor the formation of rectified-diffusion-induced bubbles by adsorbing and reflecting some energy of ultrasound. In addition, the nanoparticles adjacent to the bubble wall have a shell effect because the cavitation bubbles are generally in the micron range, which is considerably larger than the nanoparticles [30]. The dispersed nanoparticles in water have charged surfaces, and the shell consisting of these nanoparticles should be charged accordingly. As shown in Fig. 1, the nanoparticle suspensions have relatively high zeta potentials. Hence, the coalescence of gas bubbles can be inhibited due to the electrostatic repulsion of the shell, according to the Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek theory [31]. The increase of nanoparticle concentration can certainly strengthen the absorption and shell effects of nanoparticles and thus contributes to the formation of rectified-diffusion-induced bubbles. In short, decreasing the ultrasonic intensity and increasing nanoparticle concentration can facilitate the formation of rectified-diffusion-induced bubbles. Consequently, the critical ultrasonic intensity corresponding to a high nanoparticle concentration, at which the rectified-diffusion-induced bubbles is converted into the bubble-coalescence-induced bubbles, should be higher than that corresponding to a low nanoparticle concentration. Thus, the critical nanoparticle concentration and ultrasonic intensity on the dividing line are positively correlated in this study (Fig. 6). The contact angle of nanoparticles is also proven to be an important factor influencing the ice nucleation of water controlled by nanoparticles and ultrasound. The critical nanoparticle concentration on the dividing line decreases, and the critical ultrasonic intensity increases with the decrease of the contact angle of nanoparticles (Fig. 6). This result may be attributed to the capability of nanoparticles with a small contact angle, which have a strong affinity for water, to be dispersed in the water more steadily and having a stronger shell effect on promoting the formation of rectified-diffusion-induced bubbles, compared with those nanoparticles with a large contact angle.