Siêu âm thúc đẩy sự phát triển của vật liệu chuyển pha để lưu trữ năng lượng

Khi nhu cầu quản lý năng lượng hiệu quả trên toàn cầu tăng lên, vật liệu chuyển pha (PCM) đang được chú ý như một giải pháp mạnh mẽ để lưu trữ năng lượng nhiệt. Những vật liệu này có thể hấp thụ và giải phóng lượng nhiệt lớn trong quá trình nóng chảy và đông đặc, khiến chúng có giá trị trong các ứng dụng từ điều hòa môi trường trong tòa nhà đến làm mát pin và các hệ thống năng lượng tái tạo.
Tuy nhiên, mặc dù có những đặc tính đầy hứa hẹn, nhiều PCM vẫn đối mặt với các thách thức thực tiễn làm hạn chế việc sử dụng rộng rãi. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư ngày càng sử dụng phương pháp xử lý siêu âm công suất cao – còn gọi là xử lý bằng sóng siêu âm – để vượt qua những trở ngại này và khai thác toàn bộ tiềm năng của vật liệu chuyển pha.
Xử lý siêu âm cho phép tạo ra PCM được tăng cường bằng vật liệu nano và PCM được bao nang nano, cải thiện độ ổn định của hệ phân tán và giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiệt. Nhờ đó, xử lý bằng sóng siêu âm đang nổi lên như một trong những công nghệ hiệu quả nhất để sản xuất các hệ PCM tiên tiến.

Máy đồng nhất siêu âm UIP2000hdT để xử lý PCM

Vì sao vật liệu chuyển pha có vai trò quan trọng trong lưu trữ năng lượng

Vật liệu chuyển pha lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt ẩn, được hấp thụ trong quá trình nóng chảy và giải phóng khi vật liệu đông đặc. Khác với các vật liệu thông thường chỉ lưu trữ nhiệt thông qua sự thay đổi nhiệt độ, PCM có thể lưu trữ và giải phóng lượng năng lượng lớn ở nhiệt độ gần như không đổi.
Đặc tính này khiến chúng trở nên rất hấp dẫn đối với các hệ thống quản lý nhiệt. Trong các tòa nhà, PCM có thể điều tiết nhiệt độ trong nhà bằng cách hấp thụ nhiệt dư vào ban ngày và giải phóng nhiệt khi nhiệt độ giảm. Trong các hệ thống năng lượng tái tạo, chúng giúp lưu trữ năng lượng nhiệt từ các bộ thu nhiệt mặt trời. Chúng cũng ngày càng được sử dụng nhiều trong làm mát thiết bị điện tử, quản lý nhiệt cho pin và vận chuyển có kiểm soát nhiệt độ.
Muối ngậm nước và vật liệu hữu cơ nằm trong số các PCM được nghiên cứu rộng rãi nhất. Ví dụ, muối Glauber (natri sulfat decahydrat) đã thu hút sự quan tâm đáng kể nhờ entanpi nóng chảy cao và nhiệt độ chuyển pha phù hợp. Những đặc điểm này cho phép vật liệu lưu trữ lượng năng lượng nhiệt đáng kể một cách hiệu quả.
Tuy vậy, nhiều hệ PCM bộc lộ các vấn đề về độ ổn định cần được giải quyết trước khi có thể được ứng dụng rộng rãi.

Những thách thức dai dẳng của PCM thông thường

Mặc dù vật liệu chuyển pha có thể lưu trữ lượng năng lượng lớn, hiệu suất thực tế của chúng thường phụ thuộc vào khả năng duy trì độ ổn định của vật liệu qua các chu kỳ gia nhiệt và làm mát lặp lại. Nhiều PCM gặp phải hiện tượng phân tách pha, quá lạnh và độ ổn định phân tán kém, tất cả đều có thể làm suy giảm hiệu suất nhiệt theo thời gian.
Trong các hệ muối ngậm nước như muối Glauber, những vấn đề này đặc biệt rõ rệt. Hiện tượng phân tách pha có thể xảy ra khi các thành phần khác nhau tách rời trong quá trình nóng chảy, trong khi hiện tượng quá lạnh có thể ngăn vật liệu kết tinh ở nhiệt độ dự kiến. Điều này làm chậm quá trình giải phóng nhiệt và giảm hiệu suất của hệ thống.
Một vấn đề phổ biến khác là sự hình thành các khối kết tụ khi phụ gia hoặc hạt nano được đưa vào công thức phối chế PCM. Các phương pháp trộn thông thường thường không phân tán được các hạt một cách đồng đều, dẫn đến các hệ phân tán không ổn định và đặc tính nhiệt không nhất quán.
Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu ngày càng dựa vào phương pháp xử lý siêu âm, một phương pháp có hiệu quả cao trong việc phân tán vật liệu ở quy mô micro và nano.
 

Xử lý bằng sóng siêu âm cải thiện công thức phối chế PCM như thế nào

Xử lý bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm học, xảy ra khi sóng siêu âm cường độ cao truyền qua chất lỏng. Những sóng này tạo ra các bọt khí cực nhỏ nhanh chóng sụp đổ, sinh ra các vùng cục bộ có nhiệt độ, áp suất và lực cắt cực cao.
Quá trình này tạo ra điều kiện trộn mãnh liệt mà phương pháp khuấy cơ học truyền thống không thể đạt được. Nhờ đó, xử lý bằng siêu âm có thể phá vỡ các cụm hạt kết tụ, giảm kích thước hạt và phân bố đồng đều các chất phụ gia trong toàn bộ nền PCM.
Nghiên cứu thực nghiệm về các hệ phân tán PCM cho thấy trộn bằng siêu âm tạo ra các cụm kết tụ nhỏ hơn đáng kể và hỗn hợp đồng nhất hơn so với khuấy từ, nhờ đó cải thiện độ ổn định và khả năng tái lập.
Những cải thiện này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, vì hệ phân tán đồng nhất bảo đảm quá trình chuyển pha diễn ra nhất quán trong toàn bộ vật liệu.

Vì sao xử lý bằng siêu âm cải thiện độ ổn định của PCM

Nghiên cứu cho thấy phương pháp trộn đóng vai trò then chốt đối với hiệu suất của PCM.
Ví dụ, các thí nghiệm với hệ phân tán PCM muối hydrat đã chứng minh rằng trộn bằng siêu âm cải thiện tính đồng nhất và độ ổn định so với các phương pháp trộn truyền thống

Xử lý bằng siêu âm cải thiện các hệ PCM thông qua một số cơ chế:

1. Kích thước hạt nhỏ hơn
   Lực xâm thực phá vỡ các tinh thể hoặc cụm kết tụ lớn thành các hạt mịn.
2. Cải thiện tính đồng đều của hệ phân tán
   Siêu âm bảo đảm các chất phụ gia như chất tạo mầm kết tinh và chất làm đặc được phân bố đồng đều.
3. Giảm lắng
   Các hạt mịn hơn duy trì trạng thái lơ lửng lâu hơn.
4. Hiệu suất nhiệt tốt hơn
   Các hệ đồng nhất thể hiện quá trình chuyển pha nhất quán hơn và khả năng tích trữ nhiệt hiệu dụng cao hơn.

Vật liệu chuyển pha được tăng cường bằng hạt nano: Cải thiện độ dẫn nhiệt

Một trong những bước phát triển đáng chú ý nhất trong nghiên cứu PCM là sự xuất hiện của vật liệu chuyển pha được tăng cường bằng hạt nano (NePCM). Trong các hệ này, các hạt nano được đưa vào nền PCM để tăng cường độ dẫn nhiệt và đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt.
Các vật liệu nano như graphene, ống nano carbon và oxit kim loại có thể cải thiện đáng kể tốc độ truyền nhiệt. Tuy nhiên, các hạt nano có xu hướng kết tụ do lực hút mạnh giữa các hạt. Nếu các cụm hạt này không được phân tán đúng cách, sẽ không thể đạt được mức cải thiện độ dẫn nhiệt như kỳ vọng.
Xử lý bằng siêu âm đóng vai trò then chốt ở đây. Các lực xâm thực mãnh liệt do xử lý bằng siêu âm tạo ra phá vỡ các cụm hạt nano và phân bố chúng đồng đều trong toàn bộ PCM. Các PCM được tăng cường bằng hạt nano thu được hấp thụ và giải phóng nhiệt nhanh hơn, nhờ đó đạt hiệu quả cao hơn nhiều trong các ứng dụng tích trữ năng lượng nhiệt.

Bao nang nano: Ngăn rò rỉ và cải thiện độ bền

Một đổi mới quan trọng khác mà xử lý bằng siêu âm mang lại là bao nang nano vật liệu chuyển pha.
Trong PCM được bao nang nano, vật liệu chuyển pha được bao bọc trong một lớp vỏ bảo vệ – thường được làm từ polyme, silica hoặc vật liệu lai. Lớp vỏ này ngăn rò rỉ khi PCM nóng chảy và bảo vệ vật liệu khỏi sự phân hủy hóa học.
Xử lý bằng siêu âm cho phép tạo ra các nhũ tương cực mịn làm cơ sở để hình thành các vi nang và nang nano. Quá trình này tạo ra các giọt đồng đều, sau đó hình thành lõi PCM, trong khi vật liệu vỏ trùng hợp hoặc ngưng tụ quanh chúng. Các nang thu được có phân bố kích thước hẹp và độ ổn định cơ học được cải thiện.
Các PCM được bao nang như vậy ngày càng được sử dụng trong các ứng dụng tiên tiến, bao gồm vật liệu dệt thông minh, lớp phủ, làm mát thiết bị điện tử và hệ thống quản lý nhiệt.

Sáp parafin làm PCM: Ví dụ thực tiễn về xử lý bằng siêu âm

Các vật liệu chuyển pha hữu cơ như sáp parafin được sử dụng rộng rãi nhờ tính ổn định hóa học, đặc tính không ăn mòn và nhiệt độ nóng chảy thuận lợi. PCM gốc parafin thường được sử dụng trong vật liệu xây dựng, hệ thống nhiệt mặt trời và công nghệ điều hòa nhiệt.
Tuy nhiên, sáp parafin cũng có độ dẫn nhiệt tương đối thấp và có thể hình thành các giọt lớn hoặc các khối kết tụ khi được đưa vào nhũ tương hoặc vật liệu composite. Xử lý bằng siêu âm mang lại giải pháp mạnh mẽ cho những thách thức này.
Khi sáp parafin được xử lý bằng siêu âm công suất cao, các lực xâm thực phá vỡ sáp nóng chảy thành những giọt cực mịn, tạo ra nhũ tương hoặc hệ phân tán ổn định. Điều này cho phép sáp được phân bố đồng đều trong chất lỏng mang hoặc nền polyme. Các công thức PCM thu được có đặc tính truyền nhiệt được cải thiện và độ ổn định cao hơn qua nhiều chu kỳ chuyển pha lặp lại.
Xử lý bằng siêu âm cũng được sử dụng rộng rãi để sản xuất vi nang parafin, trong đó các giọt sáp nóng chảy được bao bọc trong vỏ polyme. Các nang này ngăn rò rỉ trong quá trình nóng chảy và cho phép tích hợp PCM parafin vào vật liệu xây dựng, lớp phủ hoặc vật liệu dệt.

Vì sao thiết bị siêu âm Hielscher lý tưởng cho việc xử lý PCM

Thiết bị siêu âm công suất cao là yếu tố thiết yếu để đạt được chất lượng phân tán cần thiết cho các công thức PCM tiên tiến. Hielscher Ultrasonics đã trở thành nhà cung cấp hàng đầu về thiết bị xử lý siêu âm cho cả phòng thí nghiệm nghiên cứu và sản xuất công nghiệp.
Các hệ thống Hielscher cung cấp khả năng kiểm soát chính xác biên độ siêu âm, công suất đầu vào và thời gian xử lý, cho phép các nhà nghiên cứu tinh chỉnh công thức PCM với khả năng tái lập vượt trội. Thiết bị xử lý siêu âm của hãng tạo ra trường xâm thực mạnh và nhất quán, bảo đảm hiệu quả giảm kích thước hạt, phá kết tụ và đồng nhất hóa.
Một ưu điểm quan trọng khác của công nghệ Hielscher là khả năng mở rộng quy mô. Các quy trình được phát triển trên hệ thống phòng thí nghiệm có thể được chuyển trực tiếp sang thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp, cho phép nhà sản xuất chuyển từ thử nghiệm quy mô nhỏ sang sản xuất thương mại mà không thay đổi các thông số quy trình nền tảng.
Thiết bị xử lý siêu âm Hielscher đã được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học để điều chế hệ phân tán PCM, chứng minh hiệu quả trong việc tạo ra hỗn hợp đồng nhất và giảm các khối hạt kết tụ.

Những tiến bộ trong phát triển PCM bằng xử lý siêu âm

Khi các hệ thống năng lượng phát triển và nhu cầu lưu trữ nhiệt hiệu quả gia tăng, các vật liệu chuyển pha tiên tiến sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng. Hiệu năng của những vật liệu này không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn phụ thuộc vào phương pháp điều chế và xử lý.
Xử lý bằng siêu âm cung cấp một công cụ mạnh mẽ và đa năng để kiểm soát vi cấu trúc của các hệ PCM. Bằng cách tạo điều kiện hình thành hệ phân tán đồng đều, tích hợp hạt nano và bao nang nano, xử lý bằng siêu âm giúp khắc phục nhiều hạn chế vốn cản trở công nghệ PCM.

Xử lý bằng siêu âm đang nhanh chóng trở thành công nghệ then chốt hỗ trợ phát triển PCM thế hệ tiếp theo, bao gồm:

• PCM được tăng cường bằng vật liệu nano
• PCM được bao nang nano
• Vật liệu composite PCM có độ dẫn nhiệt cao
• Nhũ tương và hệ phân tán PCM ổn định

Thiết bị siêu âm Hielscher hiệu năng cao, cấp công nghiệp cho phép mở rộng quy mô tuyến tính lên sản xuất quy mô lớn – qua đó chuyển vật liệu chuyển pha từ những vật liệu đầy triển vọng trong phòng thí nghiệm thành các giải pháp đáng tin cậy cho lưu trữ năng lượng và quản lý nhiệt hiện đại.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
• De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
• De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
• Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.