제타 전위 측정을 통한 질산염 나노유체 비열 향상 메커니즘의 실험적 규명
Experimental investigation of mechanism on specific heat enhancement of nitrate molten salt nanofluids via zeta potential measurement
초록/요약
본 연구에서는 고온 열저장 물질로 사용되는 용융염의 열저장 용량 증가를 위한 나노유체를 합성하고, 비열을 측정하였다. 또한, 제타 전위와 XRD 분석을 통해 용융염 나노유체의 비열 향상 메커니즘을 규명하였다. 단일 용융염 나노유체는 수용액 방법을 이용하여 합성하였고, 서로 다른 2종류의 단일염(질산칼륨, 질산나트륨)을 용매로 사용하고 2종류의 나노입자(이산화규소, 그라파이트)를 분산하여 나노유체를 합성하였다. 단일염 나노유체의 비열은 용매의 종류와 나노입자의 종류 및 농도에 따라 큰 차이를 보였다. 최대 비열향상은 질산칼륨 용매일 때 이산화규소 나노입자(1 wt.%)를 분산한 경우로, 28%의 비열 향상을 나타내었다. 질산 나트륨 용매의 경우 10 wt.% 이산화규소 나노입자 농도에서 최대 17.2%의 비열 향상을 보였다. 이원 용융염 나노유체는 단일염으로 사용했던 2종류의 질산염에 대해 혼합비율을 바꾸어 가며 이원염을 합성하였고 나노입자 분산 후 비열을 측정하였다. 이원 용융염의 경우 이산화규소 나노입자를 분산한 경우 최대 8.2%의 비열 향상을 보였고, 그라파이트 나노입자의 경우 비열 향상이 3.8% 이하로 미미하였다. 또한 이원염 나노유체의 경우 비열 향상의 거동은 단일염 나노유체에서 서로 다른 최적 나노입자 농도에 의해 결정되며 이원염의 조성 비율에 따라 비열이 변화함을 확인하였다. 비열 향상 메커니즘을 규명하기 위해 XRD 분석과 제타전위를 측정하였다. 고체 상태의 용융염 나노유체의 비열이 향상되는 메커니즘은 XRD 측정을 통한 결정 구조 분석에서 결정 격자 크기가 감소하여 결정립계의 증가롤 통해 설명하였다. 액체 상태의 용융염 나노유체의 비열 향상 메커니즘은 용액 내에서 수화된 양이온과 음이온이 나노입자 주위에 층을 형성하면서 형성되는 전기 이중층의 존재로 설명되었다. 나노입자에 따라 상이한 제타전위의 크기는 나노입자의 종류에 따른 비열 향상 차이를 설명한다. 이원 용융염 나노유체에서 용융염 조성에 따른 제타 전위의 변화는 전기 이중층 내의 퍼텐셜 에너지 차이를 간접적으로 나타낸다. 따라서 이러한 전기 이중층의 두께와 퍼텐셜 에너지가 용융염 나노유체의 비열 향상 메커니즘임을 확인하였다.
more초록/요약
In this study, nanofluids for efficient molten salt thermal energy storage were synthesized and measured the specific heat capacity of nanofluids. In addition, the mechanism of enhancement in specific heat of molten salt nanofluids was investigated. The single molten salt nanofluids were synthesized using a dissolving method and different trivalent types of single nitrate salts (potassium nitrate, sodium nitrate, lithiumnitrate) were used as base solvent salts and two different types of nanoparticles (silicondioxide and graphite) were used to synthesis nanofluids. The specific heat of the nanofluids showed a large difference depending on the type of nitrate which used as the base solvent and the concentration of nanoparticles. The single molten salt nanofluids showed the highest specific heat improvement in the case which dioxide nanoparticles were dispersed in potassium nitrate salt at a concentration of 1wt.% nanoparticles and 28% of enhancement of specific heat was existed. Binary/Ternary molten salt nanofluids were synthesized binary/ternary salts by changing the ratio of mixtures for three types of nitrate salts used in single molten salt nanofluids. Thermal properties of each nanofluids were measured after dispersion of nanoparticles. In the case of binary and ternary molten salts, the specific heat improvement effect was within 10% for silicon dioxide nanoparticles, and the graphite nanoparticles did now shoe a significant effect in specific heat improvement. The enhancing mechanism of molten salt nanofluids was conducted through XRD analysis and zeta potential measurement. The enhancing mechanism of solid phase nanofluids was explained through the increase in grain boundary because of decreasing in 81 the crystallite size by doping nanoparticle, and crystal structure were also changed. The enhancing mechanism of liquid phase nanofluids was explained by the presence of the EDL(electric double layer) in salt solution where hydrated cations and anions form a layer around the nanoparticle surface. The different size of the zeta potential depending on the nanoparticles is the reason that the specific heat improvement appears differently depending on the type of nanoparticles. By measuring the zeta potential according to the composition of the solvent molten salts, it was confirmed that the increase in the zeta potential that appears as the composition of the solvent is changed is represented by the increased EDL interfacial energy, and that EDL energy affect the specific heat improvement of the molten salt nanofluids.
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 3
1.3 연구 목적 6
제 2 장 실험 7
2.1 재료 7
2.1.1 단일염 나노유체 7
2.1.2 이원염 나노유체 8
2.2 실험 방법 9
2.2.1 DSC 분석 9
2.2.2 SEM 및 EDS 분석 13
2.2.3 Zeta potential 분석 13
2.2.4 FTIR 분석 14
2.2.5 XRD 분석 14
제 3 장 단일 용융염 나노유체 15
3.1 합성 방법 15
3.2 질산 칼륨 나노유체 17
3.2.1 질산 칼륨−이산화규소 나노유체 17
3.2.2 질산 칼륨−그라파이트 나노유체 23
3.2.3 질산 칼륨−과산화수소수 혼합물 27
3.3 질산 나트륨 나노유체 32
3.3.1 질산 나트륨−이산화규소 나노유체 32
3.3.2 질산 나트륨−그라파이트 나노유체 37
3.4 요약 40
제 4 장 이원 용융염 나노유체 41
4.1 합성 방법 41
4.2 이원염 나노유체 43
4.2.1 이원 용융염 혼합물 43
4.2.2 이원염−이산화규소 나노유체 48
4.2.3 이원염−그라파이트 나노유체 53
4.3 요약 56
제 5 장 비열 향상 메커니즘 분석 57
5.1 고상에서의 비열 향상 메커니즘 57
5.1.1 XRD 분석 57
5.1.2 결정 구조 분석 58
5.2 액상에서의 비열 향상 메커니즘 62
5.2.1 전기 이중층 62
5.2.2 전기 이중층 두께 분석 62
5.2.3 제타 전위 측정 66
5.2.4 전기 이중층 상호 작용력 분석 69
5.3 요약 71
제 6 장 결론 72
참고 문헌 74
