-12تحسين زيوت التشحيم باستخدام ثاني اوكسيد التيتانيوم النانومتري

Abstract

حضر المائع النانوي لثنائي اوكسيد التيتانيوم (TiO2 – Nanofluid) المضاف لزيوت تشحيم المحركات لرفع قدرتها للتوصيل والنقل الحراري وتحسين خواصها الفيزيائية بواسطة جزيئات ثاني اوكسيد التيتانيوم النانوية المنتشرة في الكحول من خلال تفاعل ثلاثي كلوريد التيتانيوم مع خليط من الماء المقطر والكحول الاثيلي بنسبة ( 70:30 ) وحامض الخليك بنسبة ( 2 % ) بطريقة المحاليل المائية - الهلامية (Sol-Gel) للحصول على محلول عالق متجانس ذو لون اصفر ذهبي براق من ثاني اوكسيد التيتانيوم النانوي التي تم فصلها وتجفيفها لغرض اجراء الفحوصات التركيبية بجهاز قياس حيود الاشعة السينية (XRD) والذي اظهر ان المادة تمتلك تركيبين بلوريين من نوع (اناتاسي و الروتيل) وان الحجم الحبيبي لها بحدود (30) نانومتر وطول موجي بحدود (345) نانومتر، واعيد نشر المادة في المحلول الاصلي باستخدام جهاز يعمل بالموجات فوق الصوتية ، ليتم اخذ )1%( من مسحوق اوكسيد التيتانيوم النانوي المحضر وإضافته إلى (250( مل من زيت تشحيم محلي الصنع (الرشيد 40)، فنتج عن ذلك ارتفاع كبير في عمليات النقل الحراري والموصلية الحرارية لزيت التشحيم المحلي حيث تغيرت استجابة الزيت لنقل الحرارة بسرعة عالية أي بفرق زمني بحدود (20( دقيقة وكذلك تسببت المادة النانوية المضافة في رفع لزوجة الزيت من (274) سنتي بويز إلى (368) سنتي بويزعند درجة حرارة (25) مº وكذلك درجة الانسكاب من (-7 ) مº إلى ( -11.5) مº والكثافة من (0.90) غم/سم3 إلى (0.95) غم/سم3 ونقطة الوميض من (184) مᴼ إلى (182) مᴼ ومن خلال النتائج تبين ان هناك علاقة خطية تقريبية بين نسبة تعزيز الموصلية الحرارية وحجم جسيمات اوكسيد التيتانيوم النانوية.

الكلمات المفتاحية : اوكسيد التيتانيوم البلوري النانوي ، ثلاثي كلوريد التيتانيوم ، (Sol-Gel) ، اللزوجة ، نقطة الانسكاب ، نقطة الوميض ، الموصلية الحرارية ، المائع النانوي ، حيود الاشعة السينية.

المقدمة الموائع النانوية هي غرويات مهندسة محضرة من السوائل كقواعد لها وتكون هذه الجسيمات النانوية بأبعاد (1-100) نانومتر لتحسين خواصها ومنها زيادة التوصيلية الحرارية، عن طريق تشتيت مواد صلبة سيراميكية او معدنية نانوية فيها لغرض تحسين خواصها الفيزياوية والكيميائية وهذه السوائل عادة تكون مشتركة، مثل الماء والزيوت أو الاثلين كلايكول بشكل عام ، والجزيئات الصلبة المستخدمة هي المعادن (Ti, Ag, Cu, …)، أكاسيد المعادن (CuO, Al2O3, TiO2,….) أو الكربون، في أشكال مختلفة. وان التوصيلية الحرارية هو القيد الرئيسي في تطوير كفاءة استخدام طاقة السوائل لنقل الحرارة التي تكون مطلوبة في العديد من التطبيقات الصناعية. لذا اقترح أن فئة جديدة مبتكرة للسوائل تستخدم لنقل الحرارة يمكن هندستها من خلال تعليق الجسيمات النانوية المعدنية في سوائل نقل الحرارة التقليدية. ومن المتوقع أن تظهر التوصيلات الحرارية العالية مقارنة مع تلك المستخدمة حاليا من سوائل نقل الحرارة ]1-4[.

الجزء العملي طريقة تحضير المادة النانوية : حضر المحلول النانوي باستخدام طريقة (Sol-Gel) 1- اخذ (20) مل من كلوريد التيتانيوم الثلاثي ((TiCl3 واضيف الى محلول يتألف من )30) مل من الماء المقطر H2O)) و(70) مل من الايثانول بشكل تدريجي وبحذر شديد تحت ظروف خلط بسرعة ) 200) دورة بالدقيقة وحرارة بدرجة (50) م° لمدة (8) ساعات للحصول على اللون الاصفر الذهبي الذي يشير الى تكون المادة النانوية. 2- اضيفت كمية (50) مل من هيدروكسيد الاومونيوم NH4OH)) بتركيز( 28 % ) تحت عملية خلط مستمرة مع مراعاة السيطرة على دالة الحموضة pH8 على ان تتم الاضافة بحذر شديد حتى يتكون راسب ذو لون ابيض شفاف من ثاني اوكسيد التيتانيوم واجراء فحص الاشعة فوق البنفسجية للتعرف على الطول الموجي (345 =maxλ ) نانومتر عند امتصاصية بحدود (1.2 (حسب الشكل رقم (1). والصورة رقم (1) توضح شكل المحلول المحضر وتغير لونه عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية بطاقة )80( ملي واط / سم2. 3- جففت المادة المترسبة بعد فصلها عن السائل وغسلها بالماء المقطر و الايثانول لخمسة مرات لإزالة الشوائب (أيونات الكلور والنشادر) ومن بعد تجفيفها بدرجة حرارة) 60 (مº ووضعها في جفنة خزفية لمعالجتها بالحرارة في درجة (300 ) مº لغرض تحضير مسحوق من المادة و إجراء الفحوصات التركيبية له مثل XRD) ) كما في الشكل رقم (2).

صورة رقم (1) : المائع النانوي لاوكسيد التيتانيوم النانوي المحضر. طريقة تحضير المائع النانوي: بعد تحضير المادة النانوية وتجفيفها يتم إضافتها إلى زيت التشحيم المحضر مسبقا او الذي يتم تحضيره صناعيا في المختبر وفي هذا المشروع قد استخدم زيت تشحيم عراقي (الرشيد 40) لتحسين زيادة موصليته الحرارية ومعرفة تأثير المادة النانوية على خواصه الفيزيائية والحرارية وذلك من خلال إضافة حوالي (1%) وزناَ من مسحوق اوكسيد التيتانيوم النانوي المحضر للزيت المحلي وأجراء عملية المزج بين المادتين بخلاط يعمل بسرعة عالية للحصول على تجانس وانتشار للمادة النانوية الصلبة في الزيت المصنع ورفع من استقراريته بشكل يمنع ترسب وانفصال المادة النانوية عن مكونات الزيت دون الحاجة الى اضافة المواد المشتتة وحسب الصورة (2) التي تظهر صورة زيت التشحيم الخام على اليمين وصورة الزيت المضاف له المادة النانوية على اليسار (الذي ترك لمدة تسعة اشهر ولم يتغير) والتي تغير لونه بشكل بسيط نتيجة اضافة المادة النانوية .

صورة رقم (2 ) : المائع النانوي (المائل للجوزي الى يسار الصورة) وزيت التشحيم الخام .

شكل (1) : فحص UV-Vis. لمحلول ثنائي اوكسيد التيتانيوم النانوية. المناقشة والنتائج يبين فحص حيود الاشعة السينية الشكل رقم (2) لمسحوق ثنائي اوكسيد التيتانيوم النانوي المحضر وجود نوعين من التراكيب البلورية وهي : - اناتاسي ( Anatase) وأطواره (2θ = 25.180 (101), 2θ = 47.80 (200), 2θ = 55.060 (211)) - و الروتيل ( Rutile) وأطواره ( 2θ = 27.080 (110), 2θ = 35.820 (101), 2θ = 41.240 (111))) ولمعرفة متوسط الحجم البلوري لدقائق اوكسيد التيتانيوم تم احتسابها بواسطة معادلة ديباي- شيرر (21).

= dقطر حجم الجسيمات. = K معامل الجسيمات = 0.9 = λالطول الموجي . =B نصف العرض الكامل لأقصى ذروة (راديان). = θزاوية الحيود . وحسب معادلة ديباي شرر رقم (1) ان الحجم البلوري لمادة ثنائي اوكسيد االتيتانيوم بحدود (30) نانومتر وان هناك طور بلوري تركيبه (101) للمادة عند الزاوية (25.18) درجة والصورة (2) تظهر المائع النانوي لثنائي اوكسيد التيتانيوم ذو اللون الاصفر الذهبي، ومن خلال نتائج فحص حيود الأشعة السينية تبين ان هذه الطريقة يمكن من خلالها تحضير الطورين البلوريين للمادة وباستخدام الحرارة العالية يمكن التحويل بينهما وحسب التطبيق الصناعي المطلوب وان درجة الحرارة (550) م° تقريبا تعتبر حداً فاصلاً بينهما لعملية التحويل. والصورة رقم (3) تبين صورة تكبير بمجهر القوة الذرية للغشاء المحضر بطريقة النشر لمادة اوكسيد التيتانيوم النانوية من معطيات الفحص يظهر طبيعة السطح منتظمة ومتجانسة لان سطح الالتواء (Surface Skewness= 0.61) ومعدل خشونة السطح (RMS (Root Mean Square) = 5.54 nm) وان حدة ذروة قمة التوزيع (Surface Kurtosis=5.17nm) اما الحجم الحبيبي للمادة حيث تظهر الصورة ان اعلى قمم المادة (Sy(peak-peak)= 74.3 nm) وان ارتفاع اعلى عشر قمم للمادة (Sz(Ten Point Height) = 65 nm).

الشكل رقم (2) : فحص الاشعة السينية لمسحوق اوكسيد التيتانيوم النانوي اجريت له عملية تلدين بدرجة حرارة )300( مᴼ.

صورة 2D (3) : مجهر القوة الذرية يظهر طبيعة السطح لمادة اوكسيد التيتانيوم النانوية.

فحص اللزوجة (Viscosity) : ان إضافة ثنائي اوكسيد التيتانيوم تزيد من لزوجة زيت التزييت، والجدول رقم (1) يبين فحص اللزوجة الحركية. وحدة القياس السنتي بويز حيث (1 centipoise = 0.001 Pa•s. = 1 μPa•s).

جدول رقم ( 1) : فحص اللزوجة لزيت التشحيم عند درجة حرارة (25-85) مᴼ . ت المادة درجة حرارة الفحص) مᴼ ( اللزوجة (Cp ) عدد الدورات المغزل (rpm) نوع المغزل 1 زيت تشحيم ( قبل اضافة Nano TiO2 ) 25 85 274 43.2 50 S 62 2 زيت تشحيم ( بعد اضافة Nano TiO2) 25 85 368 86.4 50 S 62

فحص كثافة الزيت (Density) : قيست كثافة زيت تشحيم المحلي قبل الإضافة كان بحدود ( 0.91) غم/ سم3 وبعد الإضافة مادة النانو تيتانيوم أصبحت بحدود (0.95) غم/ سم3 وهذا يرجع الى ان كثافة اوكسيد التيتانيوم بحدود (4250) كغم/ م2 ]5 [. فحص نقطة الانسكاب ( (Pour Point: فحص قياس نقطة الانسكاب لزيت التشحيم العراقي قبل الإضافة بحدود ( -7 ) مº بعد إضافة مادة النانو تحسن ليصبح ( -11.5) م º. فحص نقطة الوميض ((Flash Point: فحص نقطة الوميض لزيت الرشيد (40) قبل الإضافة كانت بحدود (184) مᴼ وبعد الإضافة (182) مᴼ. فحص التوصيلية الحرارية Thermal conductivity)) : من خلال التجارب المكثفة التراكيز المستخدمة) 0.1 % ، 0.2 % ، 0.5 % ، 1% ، 2 % ، 3 % ، 4 % و5 %) ثبت إن إضافة اوكسيد التيتانيوم النانوية بتركيز (1%) قد حسنت من التوصيلية الحرارية لزيت تشحيم المتداول في السوق العراقية بشكل واضح جدا خاصة في سرعة انتقال الحرارة واللزوجة اما التراكيز الاخرى لم تعطي النتائج المطلوبة للتوصيلية الحرارية اضافة الى تأثيرها لبعض مواصفات الزيت القياسية والشكل )4 و5( يبين العلاقة بين الزمن ودرجة الحرارة لزيت التشحيم ولزوجته للمضاف له المادة النانوية والغير مضاف له.

الشكل (3): العلاقة بين الزمن ودرجة حرارة زيت الشكل (4): العلاقة بين الزمن ودرجة حرارة زيت التشحيم المضافة له النانو ولزوجته. الخام ولزوجته.

References 1- Dan Li, Wenjie Xie and Wenjun Fang, "Preparation and properties of copper-oil-based nanofluids " Nanoscale Research Letters, 6:373 (2011). 2- Lixin Cheng, "Nanofluid Heat Transfer Technologies" Recent Patents on Engineering, 3, 1-7, (2009). 3-Liqiu Wang and Jing Fan, "Nanofluids Research: Key Issues" Nanoscale Res. Lett. 5:1241–1252, (2010). 4-MinSheng Liu, Mark ChingCheng Lin and ChiChuan Wang, "Enhancements of thermal conductivities with Cu, CuO, and carbon nanotube nanofluids and application of MWNT/water nanofluid on a water chiller system" Nanoscale Research Letters, 6:297, (2011).