بررسی عملکرد نانوذرات اکسید آهن (مگنتیت) و نانوصفحات گرافن در تولید بخار خورشیدی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

2 استاد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

چکیده

در این پژوهش به بررسی تولید بخار خورشیدی با استفاده از نانوذرات اکسید آهن (مگنتیت،Fe3O4) و نانوصفحات گرافن در محلول پایه آب پرداخته می‌شود. برای این منظور از یک شبیه‌ساز خورشیدی به عنوان منبع تابش، یک بشر حاوی نانوسیال به عنوان دریافت‌کننده نور به همراه ترازوی دیجیتالی و نیز حسگرهای دما استفاده شده است. در گام نخست نانوسیال‌های حاوی نانوذرات مگنتیت (با غلظت‌های 0/01، 0/02و 0/04 درصد وزنی) و نانوصفحات گرافن (با غلظت‌های 0/001، 0/002 و 0/004 درصد وزنی) در شدت تابشی 3/5 سان (یک سان معادل یک کیلووات بر متر مربع) در تولید بخار خورشیدی، مورد بررسی قرار می گیرند و سپس بهترین نتیجه نانوذرات مگنتیت با غلظت بهینه (0/01 %وزنی)، با نانوصفحات گرافن با غلظت‌های 0/001، 0/002 و 0/004 % وزنی ترکیب شده و عملکرد حرارتی و نیز تولید بخار خورشیدی آن ها ارزیابی می شود. نتایج نشان می‌دهد که افزودن نانوذرات، جذب نور را نسبت به آب خالص به طور چشم‌گیری افزایش می‌دهد به طوری که بازده های تبخیری نانوسیال های حاوی نانوذرات 0/04درصد وزنی مگنتیت و غلظت 0/004 درصد وزنی نانوصفحه‌گرافن به ترتیب 1/97 و 2/69 برابر، بازده تبخیری آب بدست می‌آیند. در حالی که برای نانوسیال ترکیبی حاوی نانوذرات مگنتیت 0/01 درصد و نانوصفحه‌گرافن 0/004درصد وزنی، بازده تبخیری 32/4 درصد گزارش می شود که 2/92 برابر بازده آب خالص است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ghafurian MM, Niazmand H, Ebrahimnia bejestan E (2018) Performance evaluation of multi-wall carbon nanotube in solar fresh water production. Articles in Press, Amirkabir Journal of Mechanical EngineeringAccepted Manuscript.

[2] Fu Y, Wang G, Mei T, Li T (2017) Accessible graphene aerogel for efficient harvesting solar energy. ACS Sustain Chem Eng 5(6): 4665-4671.

[3] Ghafurian MM, Niazmand H, Ebrahimnia-Bajestan E (2019) Improving steam generation and distilled water production by volumetric solar heating. Appl Therm Eng 158: 113808

[4] Vafaie M, Barzgarnezhad M, Arbabi A, Shakib E, Ghafurian MM (2018) Experimental study and economic evaluation of various techniques for increasing fresh water production in a cascade solar water desalination unit. Articles in Press, Amirkabir Journal of Mechanical EngineeringAccepted Manuscript.

[5]  Shakib E, Amidpour M, Ghafurian MM (2017) Investigation of thermoeconomic optimizing single and two objectives of hybrid METVC +RO desalination system of different configurations integrated to gas turbine power plant. Articles in Press, Amirkabir Journal of Mechanical EngineeringAccepted.

[6]  Zhang HL, Baeyens J, Degrève J, Cacères J (2013) Concentrated solar power plants: Review and design methodology. Renew Sustain Energ Rev 22(1): 466-481.

[7] Marugán-Cruz C, Sánchez-Delgado S, Rodríguez-Sánchez MR, Venegas M (2014) District cooling using central tower power plant. Energy Procedia 49(1): 1800-1809.

[8] Akbari Z, Ghafurian MM, Niazmand H, Bakhsh Zahmatkesh B (2018) Performance evaluation of multi-wall carbon nanotube in hot water production. In 26th Annual International Conference of Iranian Society of Mechanical Engineers,Semnan, Iran, 24-26 April.

[9] Higgins MW, AR SR, Devarapalli RR, Shelke MV (2018) Carbon fabric based solar steam generation for waste water treatment. Solar Energy 159(1): 800-810.

[10] Neumann O, Feronti C, Neumann AD, Dong A, et al (2013) Compact solar autoclave based on steam generation using broadband light-harvesting nanoparticles. PNAS 110(29): 11677-11681.

[11] Amjad M, Raza G, Xin Y, Pervaiz S, et al (2017) Volumetric solar heating and steam generation via gold nanofluids. Appl Energy 206(1): 393-400.

[12] Jin H, Lin G, Bai L, Amjad M, et al (2016) Photothermal conversion efficiency of nanofluids: An experimental and numerical study. Solar Energy 139(1): 278-289.

[13]  Morciano M, Fasano M, Salomov U, Ventola L, et al (2017) Efficient steam generation by inexpensive narrow gap evaporation device for solar applications. Sci Rep 7(1): Article number: 11970

[14] Zeiny A, Jin H, Lin G, Song P, et al (2018) Solar evaporation via nanofluids: A comparative study. Renewable Energy 122(1): 443-454.

[15] Ghafurian MM, Niazman H, Tavakoli-Dastjerd F, Mahian O (2019) A study on the potential of carbon-based nanomaterials for enhancement of evaporation and water production. Chem Eng Sci 207: 79-90.

[16] Ghafurian MM, Niazmand H, Ebrahimnia-Bajestan E, Elhami Nik H (2018) Localized solar heating via graphene oxide nanofluid for direct steam generation. J Therm Anal Calorim 1-7.

[17] Ni G, Miljkovic N, Ghasemi H, Huang X, et al (2015) Volumetric solar heating of nanofluids for direct vapor generation. Nano Energy 17(1): 290-301.

[18] Chen BA, Lai BB, Cheng J, Xia GH, et al (2009) Daunorubicin-loaded magnetic nanoparticles of Fe3O4 overcome multidrug resistance and induce apoptosis of K562-n/VCR cells in vivo. Int J Nanomedicine 4(1): 201-208.

[19]  Ghazanfari MR, Kashefi M, Shams SF, Jaafari MR (2016) Perspective of Fe3O4 nanoparticles role in biomedical applications. Biochem Res Int Article ID: 7840161, 32 pages.

[20] Ninjbadgar T, Brougham DF (2011) Epoxy ring opening phase transfer as a general route to water dispersible superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles and their application as positive MRI contrast agents. Adv Fund Mater 21(24): 4769-4775.

[21]  Li Calzi S, Kent DL, Chang KH, Padgett KR, et al (2009) Labeling of stem cells with monocrystalline iron oxide for tracking and localization by magnetic resonance imaging. Microvasc Res 78(1): 132-139.

[22] Cengelli F, Grzyb JA, Montoro A, Hofmann H, et al (2009) Surface-functionalized ultrasmall superparamagnetic nanoparticles as magnetic delivery vectors for camptothecin. Chem Med Chem 4(6): 988-997

[23] Balivada S, Rachakatla RS, Wang H, Samarakoon TN, et al (2010) A/C magnetic hyperthermia of melanoma mediated by iron (0)/iron oxide core/shell magnetic nanoparticles: a mouse study. BMC Cancer 10(1): 119-127.

[24]  Shen YF, Tang J,  Nie ZH, Wang YD, et al (2009) Preparation and application of magnetic Fe3O4 nanoparticles for wastewater purification. Sep Purif Tech 68(3): 312-319.

[25]  Zeng Y, Wang K, Yao J, Wang H (2014) Hollow carbon beads for significant water evaporation enhancement. Chem Eng Sci 116(1): 704-709.

[26]  Shi L, He Y, Huang Y, Jiang B (2017) Recyclable Fe3O4@CNT nanoparticles for high-efficiency solar vapor generation. Energy Convers Manag 149(1): 401-408.

[27] Shi L, Huang J, He Y (2017) Recyclable purification-evaporation systems based on Fe3O4@TiO2 nanoparticles. Energy Procedia 142(1): 356-361.

[28]  Swinehart DF (1962) The Beer-Lambert law. J Chem Educ 39(7): 335-335.

[29]  Wang X, He Y , Cheng G, Shi L, et al (2016) Direct vapor generation through localized solar heating via carbon-nanotube nanofluid. Energy Convers Manag 130(1): 176-183.

[30] Fu Y, Mei T, Wang G, Guo A, et al (2017) Investigation on enhancing effects of Au nanoparticles on solar steam generation in graphene oxide nanofluids. App Therm Eng 114(1): 961-968.

[31] Wang Y, He Y, Liu X, Shi L, et al (2017) Investigation of photothermal heating enabled by plasmonic nanofluids for direct solar steam generation. Solar Energy 157(1): 35-46.

[32] Liu X, Wang X, Huang J, Cheng G, et al (2018) Volumetric solar steam generation enhanced by reduced graphene oxide nanofluid. Appl Energy 220(1): 302-312.

[33] Li H, He Y, Liu Z, Huang Y, et al (2017) Synchronous steam generation and heat collection in a broadband Ag@TiO 2 core–shell nanoparticle-based receiver. Appl Therm Eng 121(1):  617-627.

[34] Hentschke R(2016) On the specific heat capacity enhancement in nanofluids.  Naniscale Res Lett 11(1): 88