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Vers les nanofluides TiO2—Partie 1 :Préparation et propriétés

Résumé

En tant que nouvelle génération de fluide de travail, le nanofluide a longtemps été considéré comme un sujet de recherche brûlant au cours des trois dernières décennies. De nombreux articles de synthèse ont fourni des résumés complets et systématiques sur le développement et l'état de l'art des nanofluides. À l'heure actuelle, il devient de plus en plus difficile de fournir un examen complet de toutes sortes de nanofluides en raison de l'énorme quantité de littératures connexes. Et de nombreuses controverses et incohérences dans les arguments rapportés ont été observées dans divers nanofluides. Pendant ce temps, les revues systématiques ou complètes sur un certain type de nanofluide sont insuffisantes. Par conséquent, cette revue se concentre sur la recherche sur l'un des types les plus en vogue, à savoir. TiO2 nanofluide, qui a attiré la grande attention des scientifiques en raison de ses propriétés intéressantes et complètes telles que la dispersivité sensationnelle, la stabilité chimique et la non-toxicité. Étant donné que la préparation de nanofluides est la condition préalable et que les propriétés physiques sont des facteurs critiques pour d'autres applications, cette première partie de la revue résume les recherches récentes sur la préparation, la stabilité et les propriétés physiques du TiO2 nanofluides.

Revue

Contexte

Développement de nanofluides

Étant donné que la capacité de transfert de chaleur des liquides est généralement bien inférieure à celle des métaux solides ou des composés métalliques, on s'attend à ce que le transport de chaleur du liquide puisse être amélioré en y suspendant des particules solides. Cependant, certains inconvénients sont apparus dans les suspensions avec des particules millimétriques ou micrométriques, tels que la mauvaise dispersibilité, l'agrégation et la sédimentation ainsi que l'adhérence à la surface interne du système, ce qui pourrait facilement entraîner une dégradation des performances de transfert de chaleur, une augmentation de la puissance de pompage, et même un bloc de tuyaux. Une nouvelle opportunité de surmonter ces inconvénients a été trouvée lorsqu'une nouvelle génération de suspension, à savoir. nanofluide a été proposé par Choi en 1995 [1].

Le nanofluide est un nouveau type de suspension diluée contenant des nanoparticules dont la taille au moins unidimensionnelle est inférieure à 100 nm. Lorsque la taille des particules dans la suspension atteint le niveau du nanomètre, on s'attend à ce que la suspension puisse atteindre une meilleure propriété thermique et rester simultanément plus stable que le mélange particules/liquide millimétrique ou micrométrique. Un nanofluide stable peut également obtenir une meilleure liquidité, et parfois, il peut être traité comme un fluide monophasique. Par conséquent, l'un des plus grands défis auxquels les nanofluides sont confrontés est la préparation et la stabilité, qui sont les principales conditions préalables pour obtenir de bonnes propriétés thermophysiques et d'autres applications d'ingénierie. En conséquence, la recherche sur les nanofluides peut généralement être classée dans les directions suivantes :étude de préparation et de stabilité [2, 3], propriétés physiques telles que la conductivité thermique [4,5,6,7,8] et analyse de viscosité [9,10 ,11,12], recherche sur le transfert de chaleur [13, 14], application d'ingénierie [15,16,17,18] et analyse théorique ou développement de modèles [19,20,21,22,23,24,25].

Au cours des deux dernières décennies, en particulier des 10 dernières années, la recherche sur les nanofluides a augmenté de manière explosive en raison de leurs propriétés fascinantes et de nombreux chercheurs ont mené des études expérimentales ou théoriques sur divers aspects des nanofluides [26,27,28,29]. Pour illustrer cela, la tendance à la croissance du nombre de publications contenant « nanofluides ou nanofluide » dans le titre extrait de « web of science » peut être trouvée dans la figure 1. Cette figure illustre clairement que la recherche sur les nanofluides se développe si rapidement que la la publication en 2016 a décroché 21,9% du total au cours des deux dernières décennies. Si la portée de la récupération était réduite au texte intégral et pour contenir davantage de bases de données de recherche, les résultats pourraient augmenter plusieurs fois. Par conséquent, il devient de plus en plus difficile de fournir un examen complet de toutes sortes de nanofluides en raison des énormes quantités de littératures connexes. Et au cours des 2 dernières années, quelques critiques se sont concentrées sur un aspect de la propriété ou sur un certain type de nanofluide pour fournir des critiques plus complètes. Par exemple, le tableau 1 présente les derniers avis sur certains aspects spécialisés des nanofluides, tels que :

  1. (1)

    Préparation ou caractérisation [30,31,32]

  2. (2)

    Certains types de nanoparticules (Al2 O3 , TiO2 , CuO, graphène, CNT, nanofluides hybrides) [32,33,34,35,36,37,38]

  3. (3)

    Certains types de fluides de base (eau, EG, mélange EG/eau, huile) [39,40,41,42]

  4. (4)

    Une ou plusieurs propriétés physiques (conductivité thermique, viscosité, chaleur spécifique) [43,44,45,46,47]

  5. (5)

    Certains types de caractéristiques (forcé, nature, transfert de chaleur par convection bouillante, perte de charge, migration des particules) [48,49,50,51,52,53]

  6. (6)

    Quelques applications spécialisées (échangeur de chaleur, capteurs solaires, réfrigération) [54,55,56,57,58,59,60,61,62]

Nombre de publications contenant « nanofluides ou nanofluide » dans le titre extrait de « web of science »

Avantages du TiO2 Nanofluides

Les introductions ci-dessus dans le tableau 1 montrent la faisabilité et l'importance des examens sur certaines directions spécialisées des nanofluides, car elles peuvent fournir des informations relativement complètes et détaillées pour un certain aspect. L'un des types les plus répandus, TiO2 les nanofluides ont retenu l'attention des scientifiques en raison de leurs excellentes propriétés physiques et chimiques. Tout d'abord, TiO2 est largement utilisé dans les domaines de l'impression, des cosmétiques, de la purification de l'air, etc., et c'est un matériau sûr universellement reconnu sans aucune toxicité pour les êtres humains. Considérant la sécurité de ce nanofluide, Taghizadeh-Tabari et al. [63] ont appliqué TiO2 –nanofluide d'eau dans un échangeur de chaleur à plaques pour les industries de pasteurisation du lait. Deuxièmement, TiO2 a une stabilité chimique exceptionnelle, une résistance à l'érosion par les acides, les alcalis et la plupart des solutions organiques. Troisièmement, TiO2 les nanoparticules ont été produites dans une plus grande qualité industrielle, ce qui les rend relativement économiques [64]. Quatrièmement, TiO2 les nanoparticules ont une capacité de distribution relativement bonne dans les fluides de base polaires et non polaires, en particulier lors de l'ajout d'un dispersant approprié. Yang et al. [65] ont étudié les stabilités de dispersion de 20 types de nanoparticules dans une solution ammoniacale-eau. Les résultats ont montré que l'anatase TiO2 était l'oxyde métallique le plus stable sans tensioactif, et sa stabilité pourrait être encore améliorée en ajoutant un tensioactif approprié. Dans le rapport de Silambarasan et al. [66], le pouvoir absorbant du TiO2 les nanofluides variaient très peu après 10 jours de stockage, comme le montre la figure 2. Un tel léger changement d'absorbance indique que la stabilité du TiO2 nanofluides qu'ils ont préparés était assez remarquable. On peut conclure en résumant la littérature disponible que TiO2 les nanoparticules, en général, ont une meilleure dispensabilité que les autres nanoparticules d'oxyde métallique conventionnelles. La dispersion des nanoparticules dans le liquide étant la condition préalable la plus importante pour l'application des nanofluides, de nombreux chercheurs ont sélectionné TiO2 les nanofluides comme sujets de recherche.

Absorbance en fonction de la concentration volumique des particules au jour 1 et au jour 10 [66]. Reproduit avec la permission d'Elsevier

Étant donné que la préparation de nanofluides est la condition préalable et que les propriétés physiques sont des facteurs critiques pour la conception et la construction d'applications liées à l'énergie, l'objectif des deux revues est de résumer systématiquement les progrès récents des études sur TiO2 nanofluides, y compris la préparation, la stabilité, les propriétés physiques et les applications énergétiques. Une esquisse schématique détaillée des deux revues sur la préparation, la propriété et l'application de TiO2 les nanofluides peuvent être vus sur la figure 3. Cette revue est organisée du point de vue d'un certain type de nanofluide, qui est considéré comme l'un des types les plus proches de l'application pratique. Et l'objectif principal de cet article est de fournir un guide de référence utile aux chercheurs pour mettre à jour les connaissances sur l'état de la recherche sur TiO2 nanofluides et souligner les défis critiques et les recommandations utiles pour les orientations futures de l'étude.

Une esquisse schématique de la préparation, des propriétés, des applications et des défis du TiO2 nanofluides

Préparation du TiO2 Nanofluides

Méthode en une étape

Généralement, deux méthodes principales de préparation peuvent être différenciées :les méthodes en une étape et en deux étapes. La méthode en une étape est mise en œuvre en suspendant des nanoparticules dans le fluide de travail requis accompagnant leur processus de génération. La méthode en une étape peut être subdivisée en méthodes physiques et méthodes chimiques. La méthode physique comprend le dépôt en phase vapeur, l'ablation au laser et l'arc submergé. La méthode chimique consiste à produire des nanofluides par réaction chimique. Généralement, les méthodes ci-dessus sont introduites en tant que méthodes de préparation de nanoparticules sèches. Cependant, ces méthodes peuvent être mises à niveau vers des méthodes de préparation en une étape des nanofluides en remplaçant les collecteurs de particules sèches par les conteneurs de fluide de base correspondants.

Dépôt de vapeur

Le dépôt en phase vapeur est une méthode physique courante dans la préparation de nanofluide. Un dispositif typique pour cette méthode peut être visualisé sur la Fig. 4 [67]. Le matériau solide en vrac pour la préparation de nanoparticules est chauffé et évaporé dans un conteneur basse pression rempli d'un gaz inerte, puis la vapeur de matière première est refroidie par le film liquide tourbillonnant et déposée dans les fluides de base. Le dépôt en phase vapeur est généralement utilisé dans la préparation de nanofluides métalliques, mais cette méthode est rarement employée pour le TiO2 nanofluides en raison de la température élevée du point d'ébullition. Cependant, cette méthode peut être améliorée en utilisant un chauffage électrique pour atteindre une température élevée. Lee et al. [68] ont utilisé une méthode d'évaporation par fil pulsé (PWE) en une étape pour préparer des nanofluides à base d'éthylène glycol (EG) contenant du TiO2 nanoparticules. Ils ont appliqué des tensions pulsées de 25 kV sur un fil mince et l'ont surchauffé pour s'évaporer en plasma en quelques millisecondes. Ensuite, le plasma a été interagi par l'oxygène de l'argon et condensé en nanoparticules. Enfin, ils ont obtenu TiO2 nanofluides en laissant les nanoparticules entrer en contact direct avec EG à l'intérieur de la paroi de la chambre.

Un dispositif typique de méthode de dépôt en phase vapeur pour la préparation de nanofluides. Redessiné sur la base de la référence [67]

Méthode de l'arc submergé

La méthode de l'arc submergé peut fournir et maintenir une température encore plus élevée pour la préparation de TiO2 nanofluides. Chang et al. [69] a fabriqué un nouveau système de synthèse à arc submergé pour produire du TiO2 nanofluides. Leur appareil est principalement composé d'une unité de pulvérisation à l'arc, d'un espace sous vide et de systèmes de contrôle de la température et de la pression, illustrés à la figure 5. Dans cet appareil, le TiO2 en vrac solide a été vaporisé par la méthode de décharge à l'arc sous vide, puis, le TiO2 gazeux a été refroidi rapidement en un solide fin par un liquide isolé. Ils ont conclu que cette méthode était plus importante que les méthodes par aérosol car les nanofluides préparés avaient une stabilité de dispersion plus élevée et pouvaient être considérés comme un fluide newtonien. Zhang et al. [70] ont amélioré la méthode de l'arc submergé en optimisant le système de contrôle des paramètres de réaction, la circulation de refroidissement et la taille du dispositif à arc submergé. Basés sur le système optimisé, ils peuvent produire du TiO2 plus stable et plus fin suspension avec une bonne reproductibilité de la taille des particules. Et les performances d'adsorption de leur TiO2 les nanoparticules sont meilleures que celles du commerce.

Schéma fig. du système amélioré de synthèse de nanofluides à arc submergé (ISANSS) [40]. Reproduit avec la permission de l'Institut japonais des métaux et des matériaux

Méthode chimique

La méthode chimique consiste à obtenir des nanofluides par réaction chimique et comprend généralement une méthode de coprécipitation et une méthode de conversion de précurseur. La méthode chimique conventionnelle de synthèse du TiO2 nanofluides est basé sur un précurseur TiO(OH)2 sédimentation par réaction chimique de sels inorganiques titaniques et d'ammoniac-eau, puis calcination pour obtenir TiO2 poudre. Certaines recherches ont montré que les nanofluides obtenus par la méthode chimique avaient une meilleure stabilité et une conductivité thermique plus élevée que ceux produits par la méthode en deux étapes [71]. La contrôlabilité de la microstructure des nanoparticules est une autre caractéristique distinctive de cette méthode. La méthode d'ajustement conventionnelle consiste à contrôler les paramètres tels que la température de synthèse, la valeur du pH, la durée du bain à ultrasons et les additifs [72]. Cependant, cette méthode est principalement utilisée pour préparer le TiO2 poudre en séchant le liquide en raison de l'environnement liquide complexe dans cette méthode ne convient pas à l'application détaillée des nanofluides. Tandis que lorsque le TiO2 les poudres peuvent être suspendues de manière stable dans le fluide de base requis en changeant le fluide en vrac sans processus de séchage, cette méthode sera prometteuse à condition que les nouveaux paramètres de l'environnement liquide tels que l'acidité ou l'alcalinité et la concentration en électrolytes soient proches du fluide d'origine pour la préparation.

La méthode en une étape n'a pas contenu les processus de séchage et de dispersion qui sont susceptibles de former une agglomération de nanoparticules. Par conséquent, on pense généralement que la méthode en une étape permet d'obtenir des nanofluides plus stables [73]. Cependant, certains défauts restreignent également le domaine d'application de la méthode en une étape. Par exemple, le dépôt en phase vapeur ne peut pas être utilisé pour préparer les nanofluides contenant des nanoparticules à point d'ébullition élevé ou non cristallines. Les méthodes d'ablation laser et d'arc enterré sous vide sont coûteuses et nécessitent des conditions de circonstances critiques. La méthode chimique nécessite généralement les services de conditions de réaction spécifiques telles que la valeur de pH et la température requises. Et il peut facilement synthétiser certains sous-produits dans les liquides [74]. Par exemple, Sonawane et al. [75] ont utilisé la méthode sol-gel pour synthétiser l'anatase TiO2 nanoparticules avec un pH constant de 5. La solution de précurseur comprenait de l'isopropoxyde de titane et de l'isopropanol ainsi que de l'eau bidistillée. On peut conclure que ce mélange avec une telle valeur de pH spécifique et des compositions chimiques complexes ne pourrait pas être utilisé comme nanofluides de transfert de chaleur. Par conséquent, ils ont séché le TiO2 synthétisé nanoparticules, puis les ont redispersées dans les fluides de travail de base requis, notamment l'eau, l'EG et l'huile de paraffine, avec des traitements aux ultrasons pour obtenir les nanofluides requis. On peut conclure que la méthode en une étape n'est guère à utiliser pour certains nanofluides avec des ingrédients spécifiques, en particulier pour les nanofluides avec de l'eau pure, de l'huile, du réfrigérant, etc. comme fluides de base et également pour un système d'application contenant des gaz volatils.

Méthode en deux étapes

Dans la méthode en deux étapes, les processus de production de nanoparticules et de leur mise en suspension dans le fluide de base requis sont exploités indépendamment. La méthode en deux étapes est largement utilisée pour TiO2 nanofluides depuis les techniques de synthèse du TiO2 les nanoparticules ont pour l'essentiel atteint l'échelle de production industrielle. La figure 6 affiche une procédure typique de la méthode en deux étapes. Les nanoparticules sèches sont d'abord synthétisées par des méthodes chimiques ou physiques, puis mises en suspension dans les fluides de base requis. Cependant, étant donné que la force d'interaction forte des particules peut conduire à une collision et à une agrégation de nanoparticules, il est plutôt difficile pour elles de se suspendre de manière stable et uniforme dans le fluide de base. Par conséquent, certaines méthodes de dispersion sont utilisées en général pour assurer une bonne stabilité et disponibilité des nanofluides.

Une procédure typique de la méthode en deux étapes de préparation de nanofluides [35]. Reproduit avec la permission d'Elsevier

Le tableau 2 présente un résumé des études connexes sur les méthodes de préparation du TiO2 nanofluides ces dernières années. On peut voir que les types de fluide de base ont impliqué de l'eau, EG, réfrigérant, solvants organiques, etc. En général, trois techniques principales pour la dispersion et la suspension de nanoparticules dans les fluides de base ont été largement utilisées dans le processus de préparation en deux étapes.

Ajout de dispersant

La première méthode de dispersion consiste à modifier les surfaces des particules en ajoutant un dispersant, ce qui devrait empêcher les nanoparticules de s'agréger par les rôles de répulsion électrostatique ou d'encombrement stérique des molécules dispersantes [76]. On peut noter que le tensioactif le plus fréquemment utilisé était le CTAB dans les rapports existants. Et d'autres types, notamment le SDBS, le SDS, le PVP, l'acide oléique, l'acide acétique et le PEG, ont également été utilisés dans certaines recherches. En 2012, Mo et al. [77] ont utilisé une méthode en deux étapes pour préparer deux types de nanofluides en suspendant du TiO2 rutile en forme de tige. et anatase sphérique TiO2 dans l'eau. Ils ont observé que les nanofluides peuvent rester stables pendant 286 h lorsqu'ils utilisent le SDS comme dispersant. L'année suivante, ils ont comparé les effets sur la dispersion de trois tensioactifs différents, notamment le SDBS, le PVP et le CTAB [78]. Et ils ont découvert que dans ce domaine de recherche expérimentale, lorsque le rapport massique du SDBS et des nanoparticules de dioxyde de titane est de 0,3, ils peuvent obtenir la meilleure dispersion de nanofluide. Nakayama et Hayashi [79] ont utilisé une méthode en deux étapes pour disperser une charge élevée de TiO2 nanoparticules dans un liquide de base organique à l'aide d'une modification de surface par de l'acide propionique et de la n-hexylamine. Ils ont découvert que la modification de surface peut améliorer la dispersion des nanofluides, ce qui a montré un meilleur effet sur la méthode en deux étapes que sur la méthode en une étape. Les caractéristiques du TiO2 les nanoparticules qu'ils ont préparées ne sont pas modifiées et peuvent être bien appliquées à différents fluides à base de solvants organiques.

Ajustement de la valeur du pH

La deuxième méthode de dispersion consiste à ajuster l'environnement de dispersion en ajustant la valeur du pH du fluide de base. Cette méthode consiste à équiper les nanoparticules d'un potentiel zêta plus élevé en ajustant une valeur de pH appropriée du fluide, ce qui devrait éviter le contact des nanoparticules par les répulsions électrostatiques plus élevées [76]. Li et Sun [80] ont étudié l'effet de la valeur du pH sur les comportements d'agrégation de TiO2 nanoparticules dans les liquides de base mono- et binaires par SRFA et Fe(III). Ils ont constaté que l'adsorption de SRFA améliorait considérablement la stabilité de suspension de TiO2 nanoparticules à des valeurs de pH de 4, 6 et 8, et ils pensaient que cela était principalement dû à la forte augmentation des charges négatives à la surface des particules. Il et al. [81] ont trouvé que la stabilité de TiO2 les nanofluides peuvent être considérablement améliorés en ajustant la valeur du pH du fluide de base à 11, auquel un potentiel zêta élevé de 45 mV peut être formé pour empêcher la réagglomération et le dépôt et un éventuel encrassement ultérieur du tube de cuivre. Les nanofluides avec la valeur de pH optimale peuvent rester stables pendant plusieurs mois. De plus, Vakili et al. [82] et Sen et al. [83] ont ajusté la valeur du pH du fluide de base à 11, et ils ont constaté que le TiO2 les nanofluides peuvent avoir une meilleure stabilité de dispersion dans cette condition fortement alcaline.

Moyens physiques

La troisième méthode de dispersion revient à briser les agglomérations de particules par des moyens physiques, par exemple l'agitation mécanique, les ondes ultrasonores et le broyage à billes agité. Ces méthodes sont censées générer des oscillations de cavitation pouvant conduire à des effets de cisaillement, de rupture et de dispersion [84]. Il est universellement reconnu et prouvé que les nanofluides seront plus stables après une vibration supersonique appropriée et cela peut être prouvé une fois de plus par le résumé de la stabilité de dispersion TiO2 nanofluides. On peut voir dans le tableau 2 que presque tous les processus de préparation ont impliqué des traitements physiques. Li et al. [85] TiO2 dispersé nanoparticules dans la solution MDEA pour préparer TiO2 –MEDA–H2 O nanofluides. Ils ont découvert que les nanofluides pouvaient rester stables pendant 48 h avec agitation mécanique sans ajouter de dispersant. Tadjik et al. [86] ont étudié les effets de différents types d'ultrasons (impulsions continues ou discontinues) sur le comportement de suspension du TiO2 à base d'eau nanofluides. Les résultats ont montré que les impulsions continues avaient de meilleurs effets de rupture que les discontinues, alors que ces dernières ne pouvaient pas séparer certains gros agrégats. Silambarasan et al. [66] ont étudié expérimentalement l'effet du broyage à billes agité et des ultrasons sur le comportement de suspension d'un mélange à base d'eau contenant du TiO2 submicronique particules. Ils ont découvert que le broyage à billes agité peut produire des suspensions stables contenant des particules submicroniques, et que les ultrasons peuvent être davantage appliqués pour contrôler le comportement de transport du TiO2 suspensions. Longo et Zilio [87] ont comparé les effets de l'agitation mécanique et des ondes ultrasonores sur le comportement de dispersion du TiO2 –eau et Al2 O3 – les nanofluides d'eau. Ils ont observé que le traitement de sonication à 25 kHz pendant 48 h montrait une meilleure efficacité de dispersion qu'une simple agitation mécanique. Après ces traitements de dispersion physique, les deux types de nanofluides peuvent rester stables pendant plus d'un mois.

Utilisations combinées

En règle générale, des combinaisons de méthodes de dispersion consistant à ajouter un tensioactif, à modifier la valeur du pH des fluides de base et à des vibrations ultrasonores sont utilisées dans une méthode en deux étapes pour obtenir de meilleures performances de dispersion des nanofluides. Liu et al. [88] TiO2 dispersé nanoparticules (25 nm) dans l'eau pour préparer du TiO2 stable nanofluides. Trois traitements comprenant l'ajout de PEG1000 comme dispersant, des vibrations ultrasonores et la régulation de la valeur du pH à 4-5 ou 9-10 ont été utilisés pour obtenir un TiO2 stable. nanofluides. Fedele et al. [89] ont utilisé une méthode de dispersion combinée consistant à ajouter de l'acide acétique comme dispersant et à ajuster le pH dans une plage de 1,86 à 3,07 selon les fractions massiques de nanoparticules ainsi qu'une sonication appropriée ; ils ont observé que les nanofluides pouvaient rester stables pendant au moins 35 jours car les tailles moyennes des particules restaient à peu près constantes au cours des périodes. Ghadimi et al. [90] ont préparé un TiO2 à base d'eau extrêmement stable nanofluide en ajoutant de l'acide acétique et en ajustant le pH à 5 ainsi que des vibrations ultrasonores. Ils ont trouvé le TiO2 les nanofluides étaient toujours en suspension de manière stable après 1 an de stockage. Il existe également d'autres exemples d'utilisation combinée des trois techniques. On peut trouver dans le tableau 2 que Mo et al. [77, 78], Kim et al. [91], Mushed et al. [92], Jarahnejad et al. [93], Ghadimi et al. [90], et Said et al. [94] ont utilisé les trois techniques de dispersion pour obtenir le meilleur effet de dispersion.

Cependant, la modification de la valeur du pH des fluides de base restreindra considérablement la plage d'application du TiO2 nanofluides comme fluides thermiques en raison de la corrosion et de la sécurité dans des conditions acides et alcalines. Par conséquent, davantage de chercheurs sont plus enclins à utiliser les deux autres techniques de dispersion, à savoir. l'ajout de dispersants et de moyens physiques pour les applications potentielles dans les systèmes réels. Wu et al. [95] et Yang et al. [74] destiné à appliquer TiO2 nanofluides au système de réfrigération à absorption d'ammoniac-eau. La méthode de modification de la valeur du pH n'est pas disponible car le fluide de base a une plage de pH spécifique déterminée par la concentration d'ammoniac. Par conséquent, ils ont utilisé du PAA ou du PEG1000 comme dispersant combiné à des vibrations ultrasoniques pour améliorer la stabilité du TiO2 nanofluides et obtenu de bons effets. Pour appliquer des nanofluides au système de réfrigération par compression, Peng et al. [96] a ajouté TiO2 nanoparticules dans R141b pour préparer un nano-réfrigérant avec une taille de particule de 25, 40, 60 et 100 nm respectivement. Le nano-réfrigérant a été soniqué à l'aide d'un processeur à ultrasons pendant 20 min. Et ils pensaient que cette étape est importante pour obtenir une bonne dispersion des nanoparticules dans le réfrigérant en vrac. En outre, ils ont étudié expérimentalement l'influence des tensioactifs anioniques, cationiques et non ioniques sur la stabilité du nano-réfrigérant. Et ils ont observé que le type de tensioactif est un facteur important sur la taille des particules à l'état d'équilibre. Kayhani et al. [97] ont utilisé du surfactant hexaméthyldisilazane et des méthodes de vibration ultrasonore préparées à sec TiO2 nanoparticules d'abord, puis ajoutées dans de l'eau distillée avec un traitement par vibration ultrasonique (400 W et 24 kHz) pendant 3 à 5 h. Ils ont découvert que les nanofluides préparés pouvaient rester stables pendant plusieurs jours et qu'aucune sédimentation ne s'était produite. Yang et al. [98] ont constaté que l'utilisation du tensioactif SDBS dans une plage de faible concentration et des vibrations ultrasonores peut améliorer le comportement de suspension du TiO2 à base d'ammoniaque et d'eau. nanofluides.

Méthodes de post-traitement

Outre la méthode conventionnelle en une ou deux étapes, certaines méthodes de post-traitement pour la préparation de nanofluides ont également été proposées. Certains nanofluides mieux dispersés peuvent être obtenus à partir de fluides bruts mal dispersés contenant des nanoparticules agglomérées grâce à des traitements spéciaux, tels que la décomposition ou l'élimination des nanoparticules agglomérées du fluide brut.

Hwang et al. [99] ont observé que les effets de l'agitateur, du bain à ultrasons et du perturbateur à ultrasons sont limités pour améliorer la dispersion des nanofluides. Ils ont utilisé un homogénéisateur à haute pression pour retraiter le nanofluide, et le processus peut être vu sur la figure 7. Dans leurs recherches, le diamètre moyen initial des particules peut être diminué d'au moins un ordre de grandeur après le retraitement par l'homogénéisateur haute pression. Et ils ont découvert que l'homogénéisateur à haute pression présentait le meilleur effet parmi tous les moyens de dispersion physiques utilisés dans leur étude.

Schéma de principe de l'homogénéisateur haute pression pour la production de nanofluides [99]. Reproduit avec la permission d'Elsevier

Yang et al. [100] ont utilisé une méthode d'optimisation pour préparer des nanofluides. Le processus d'optimisation de l'amélioration de la dispersion des nanofluides est illustré à la figure 8. Ils ont retiré les nanofluides bien suspendus des nanofluides plus concentrés en vrac, puis ont récupéré les parties retirées dans les concentrations requises par dilution des fluides de base ajoutés. Le taux de dilution était basé sur la propriété si l'absorbance des nanofluides est directement proportionnelle à sa concentration. Et ils ont observé des sédimentations et mesuré la variation de l'absorbance pour estimer l'effet de la méthode. Les résultats ont montré que pour le rutile et l'anatase TiO2 nanofluides, la méthode optimisée peut grandement améliorer leur dispersion et produire du TiO2 plus stable nanofluides.

Optimisation du processus d'amélioration de la dispersion des nanofluides [132]. Reproduit avec la permission de Taylor &Francis

Il existe quelques controverses ou incohérences dans les arguments de préparation des nanofluides. Premièrement, adopter la méthode en une étape ou la méthode en deux étapes est une incohérence. La méthode en une étape devrait permettre d'obtenir une meilleure stabilité de dispersion car elle évite les processus de séchage et de dispersion des nanoparticules. Cependant, pour les effets secondaires de la méthode en une étape tels que les sous-produits, l'environnement de solution spéciale semble plus fatal, ce qui restreint considérablement le champ d'application des nanofluides. Par conséquent, la méthode en deux étapes est plus largement utilisée en raison de la grande adaptabilité et de l'amélioration substantielle des techniques de dispersion du TiO2 nanoparticules. Dans l'ensemble, il est recommandé d'utiliser une méthode en deux étapes avec un post-traitement approprié pour la préparation de TiO2 nanofluides.

Another controversy is whether surfactant should be used in the preparation of nanofluids. The presence of appropriate surfactant can improve the dispersion stability but also may bring some side effects such as a decrease in thermal conductivity, increases in viscosity, and foaming ability. Due to the potential advantages such as reduction in surface tension and improvement in re-dispersible property, the surfactant with low concentration is suggested to be used when it not brings obvious decrease in thermal conductivity or increase in viscosity and foaming ability. In addition, the influence of surfactant on thermal conductivity and viscosity of nanofluids is also a controversy in current studies.

Stability of Nanofluids

Stability research is generally followed the preparation to achieve the optimal dispersion craft since it is closely related to the effectiveness and practicability of nanofluids. The great amount of aggregations in the unstable nanofluids can easily cause sedimentation and adsorption on the inner surface of the system, which will probably result in the degradation of heat transfer efficiency, raising of pumping power, and even blocking up in system pipe blocks.

It can be found from Table 2 that the stable times of different researchers thought were variously distributed in the range of several hours to 1 year. A most stable nanofluid was obtained by a combined use of adding surfactant, controlling pH value, and ultrasonic vibration by Ghadimi et al. [90]. Also, the particles’ loading in their experiment was very low at 0.1 wt.%, which was also another contribution for the long-term stability. Without adding surfactant, the nanofluids can also achieve a better dispersion stability by adjusting the pH value of the liquid to a suitable value. For example, He et al. [81] and Longo et al. [87] observed that the TiO2 nanofluids can keep stable for months by adjusting the pH to 11 with the help of ultrasonic vibration. Also, some TiO2 nanofluids with good dispersion stability were prepared only through physical means in some research. Padmanabhan et al. [101] used a magnetic stirring to prepare R134a and mineral oil-based TiO2 nanofluids that can keep stable for 6 months. This is likely because the particles’ loading employed in their study is very low (0.1 g/L) and the high viscosity of the R134a and mineral oil base fluid can also provide a superior dispersion condition. This conclusion can also serve as proved by Palabiyik et al.’s results [102]. They obtained a TiO2 nanofluids stable for several months by the help of sonication with a higher viscosity propylene glycol as base fluid. The similarity is that they were both using organic solvent of high viscosity as base fluids and the best ones was only treated by physical means. Also, it can be seen that TiO2 nanoparticles have a comprehensive dispersivity in both polar aqueous solution and nonpolar organic solution.

However, the above judgments on dispersion stability of various TiO2 nanofluids are not very objective and accurate because most of the results showed the least stable time. Moreover, there is no uniform standard for evaluating the stability of nanofluids, and the stability evaluating methods in different research were sufficiently different. Current evaluation methods of stability of nanofluids mostly consisted of observing the stratification or sedimentation and testing the zeta potential, particles’ size, or absorbency. Mansel et al. [103] used the sedimentation observation method and zeta potential method to evaluate the stability of TiO2 –water nanofluids in different pH values. They observed that in low or high pH value, the TiO2 –water nanofluids can obtain good stability. Mo et al. [78] used zeta potential method to investigate the stability of TiO2 –water nanofluids with three different surfactants SDBS, PVP, and CTAB, respectively. By comparing the value of zeta potential, they obtained the optimal kind of surfactant and the best dispersion of nanofluid. Wei et al. [104] used sedimentation, zeta potential (ζ), and size analysis to evaluate the stability of diathermic oil-based TiO2 nanofluids. They found that there was not obvious sedimentation and the zeta potential (ζ) and size analysis also showed good results. They thought the TiO2 nanofluids they prepared were very stable and can be used to enhance heat transfer for a fluid system. Li et al. [105] used sedimentation observation to investigate the stability of TiO2 –MDEA–water nanofluids. They found that after a specific period of mechanical agitation, the sedimentation was reduced and the stability of nanofluids was improved. However, the ultrasonic vibration will deteriorate the stability of TiO2 –MDEA–water nanofluids. For this reason, only mechanical agitation was employed in their research. Yang et al. [74] investigated the dispersion behavior of 20 types of nanoparticles in binary base fluid of ammonia–water by measuring the absorbency of nanofluids, and they defined ratio of varying absorbency to quantitatively compare the suspending stability of different kinds of nanoparticles, dispersant, and base fluid mixtures. They observed that the new defined index was more applicable than conventional means because it could directly compare the suspending behavior of various kinds of nanofluids. While the method of observing the stratification or sedimentation is restricted for nanofluids in different colors or without distinctly stratification after standing. The results showed that the anatase and rutile TiO2 nanofluid were the most stable metal oxides without any surfactant. And when adding optimal dispersant, anatase TiO2 nanofluid was still the most stable one.

Generally, the combination of several stability evaluating methods is employed to investigate the stability of nanofluids more accurately. Silambarasan et al. [66] used method of measuring the particle size distribution, zeta potential, and microscopy of grain size methods to characterize the suspending stability of TiO2 nanofluids. By those methods, they prepared remarkably stable TiO2 nanofluids whose absorbency changed very little after 10 days. Tajik et al. [86] used sedimentation observation and microscopy of grain size to investigate the roles of ultrasonic wave types on the suspending behavior of nanofluids. And they found that the pulses in discontinues type could not smash some big clusters or aggregations since the sedimentation occurred after 48 h of storage.

Physical Properties of TiO2 Nanofluids

The physical properties of TiO2 nanofluids are focused on the viscosity and thermal conductivity. Also, a few papers investigated the surface tension. Using nanofluids to enhance the thermal conductivity is a typical application in heat transfer filed. Therefore, the thermal conductivity of TiO2 nanofluids will be introduced in part 2 of the reviews. In part 1, the viscosity and surface tension are introduced as follows.

Viscosity

Viscosity is an essential parameter for nanofluids especially for flow and heat transfer applications because both the pressure drop and the resulting pumping power are depended on the viscosity. Viscosity describes the internal resistance of a fluid to flow, and it is an important property for all thermal and flow applications for nanofluids. The nanofluids with higher viscosity will result in higher flow resistance and lower flow velocity, which also induce the decrease of the heat transfer. To obtain flow velocity and heat transfer efficiency, more pumping powers are needed which induce more energy consumption. Moreover, for some mass transfer application of nanofluids, viscosity plays more important roles than thermal conductivity because the viscosity determines the mass transfer resistance of molecules entering the liquid surface and the diffusion coefficient in the liquid. Murshed and Estellé [106] provide a state-of-the-art review on the viscosity of various nanofluids. They found that the experimental data from various literatures are greatly scattered and not consistent even for the same nanofluids. This review will discuss in detail the influence factors on the viscosity of TiO2 nanofluids to provide an exhaustive knowledge on this topic.

Particle Loading Effect

Many literatures have concerned the volume concentration effect on the viscosity of TiO2 nanofluids. Table 3 shows the particle loading dependence of the viscosity of TiO2 nanofluids in different research. It can be observed that the viscosity of the TiO2 nanofluids increases with the increase of the particle loading. However, some works showed that the viscosity ratio varies linearly with variation of volume concentration, but some other results showed the viscosity ratio variation is parabolic. The viscosity enhancements of TiO2 nanofluids were greatly distinguishing in various researches. For example, in Vakili et al. [82], Arulprakasajothi et al. [107], Duangthongsuk and Wongwises [108], Saleh et al. [109], and Mahbubul et al.’s [110] results, the increments of viscosity were below ten times of the volume percentage of the added particles. However, He et al. [111] and Turgut et al.’s [112] results showed that the viscosities were increased by more than 100 times of the volume percentage of the TiO2 particles added. There are also many results distributed between the values in the above two extreme cases. Therefore, it can be concluded that the influence of particle loading on the viscosity of TiO2 nanofluids is more complex than that on thermal conductivity due to the widespread data in various studies.

Temperature Effect

Besides the volume concentration effect, the temperature effect on the viscosity of TiO2 nanofluids is also widely studied by many researchers. He et al. [111] prepared four different concentration TiO2 –H2 O nanofluids with 20 nm TiO2 and measured the viscosities of TiO2 –H2 O nanofluids and deionized water with different temperatures. They observed that the TiO2 –H2 O nanofluids were Newtonian fluids, which were the same as Chang and Liu’s finding [69], and the viscosities varied inversely with the temperature of the TiO2 –H2 O mixture system. Ling et al. [113] also measured the viscosities of the TiO2 –H2 O nanofluids with different mass fractions, when temperature varied from 15 to 40 °C. They found that the viscosity of the nanofluids increased when fluids thicken and decreased with the increment of the temperature exponentially. Liu et al. [114] figured that the viscosities of TiO2 –H2 O nanofluids increase remarkably with the volume fraction of nanoparticles and vary oppositely to the temperature of the TiO2 –H2 O nanofluids greatly with similar experimental method. Based on the value of the viscosities, they also propose an amended suspension viscosity formula. Some research results showed that the viscosity of nanofluids is a function of volume loading and temperature as well as base fluid viscosity. Yiamsawas et al. [115] measured the viscosity of TiO2 –water with a volume loading varied from 1 to 8% at a high-temperature range of 15 to 60 °C. By comparisons with previous studies, they proposed a useful correlation for practical applications which indicated that the viscosity of nanofluids is a function of volume loading and temperature as well as the base fluid’s viscosity.

Comparing with the absolute viscosity, the varieties of relative viscosity at different temperatures were more impressive for researchers. Jarahnejad et al. [93] carried out a detailed study on the effect of temperature on the viscosity and the relative viscosity of TiO2 respectively. And the results are shown in Fig. 9. It can be found that compared to base water, the average viscosities of TiO2 nanofluids increased by 17, 50, and 78% for 3, 6, and 9 wt.% of particles’ loading, respectively, at 20 °C. The viscosity of nanofluids with different particle loading decreased as the temperature increased, while the relative viscosity remained nearly constant with the temperature. The observation of independent of temperature can be also included in some other research. Fedele et al. [89] presented the characterization of water-based nanofluids where TiO2 ranging between 1 and 35% in mass. They concluded that the relative viscosity was independent from temperature for all the particle loading employed. And the nanofluids at 1 wt.% exhibited a water-like behavior within the experimental error. But this observation was invalid at the higher concentrations (+243% for 35 wt.% at 343 K). Also, Silambarasan et al. [66] found that the temperature has a smaller effect on the relative viscosity since the viscosity of TiO2 suspensions was reproducible even after repeated and alternating heating and cooling processes. And they attributed the reason to the effect of particles’ temperature-dependent intermolecular forces in the suspension. However, some different results can also be observed. Teng et al. [116] found that the relative viscosity increased from 8.2 to 16% when the temperature varied from 10 to 40 °C for the TiO2 nanofluids with 0.5 wt.% of particle loading. Cieśliński et al. [117] found that the relative viscosity of thermal oil-based TiO2 nanofluids remained constant when the temperature varied from 20 to 40 °C, but had a nearly linear increase with the increase of temperature when exceeding 40 °C. Yapici et al. [118] observed that the effect temperature was different for different shear rate. The relative viscosity measured was independent of the temperature at a higher shear rate region. However, for lower shear rate region, a great temperature dependency behavior of viscosity of TiO2 nanofluids was exhibited especially at high temperatures

Dynamic viscosity (a ) and relative viscosity (b ) for TiO2 water-based nanofluids at different temperatures [93]. Reproduced with permission from Springer

Particle Size and Shape Effect

The particle size and shape effects on the viscosity of TiO2 nanofluids were not investigated as widely as that of particles’ loading or temperature. In particular, Chen et al. [64, 119] investigated experimentally the viscosity of spherical (25 nm) and rod-like (10 × 100) TiO2 nanoparticle-based nanofluids with water and EG as base fluid, respectively. They found that the viscosity of TiO2 nanofluids was more sensitive to the rod-like particles than spherical particles. It can be seen from Table 3 that the viscosity was increased by 0.5–23% when adding 0.1–1.86 vol.% of spherical TiO2 nanoparticles, while increased by 1–82% when adding 0.1–0.6 vol.% of rod-like TiO2 nanoparticles. The same observation can also be found for EG-based nanofluids.

Surfactant Effect

The surfactants have been observed to have great effects on the viscosity of TiO2 nanofluids in some recent research. Jarahnejad et al. [93] investigated the effect of two kinds of surfactant trioxadecane acid and poly carboxylate on the viscosity of TiO2 nanofluids respectively. Their results of the dynamic viscosity of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature are shown in Fig. 10. The results demonstrated only a very slight increase was found in the viscosity of nanofluids even with the highest particle loading viz. 9 wt.%. However, the two kinds of surfactants could greatly increase the viscosity of nanofluids in the temperature range of 20–50 °C, especially for trioxadecane acid. The similar effect of surfactant on viscosity can also be observed in Ghadimi and Metselaar’s report [90], in which they found SDS can also increase the viscosity of TiO2 nanofluids with 0.1 wt.% particle loading. It was also observed there were important roles of SDS in the long-term dispersion stability of TiO2 nanofluids. Therefore, they still suggested that the dispersion method of adding surfactant and ultrasonic vibration to be adopted in the preparation of nanofluids.

Dynamic viscosity of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature [93]. Reproduced with permission from Springer

However, the above results cannot prove that all kinds of surfactant will result in high viscosity for nanofluids. Figure 11 shows the viscosity of TiO2 nanofluids with PEG600 as surfactant measured by Bobbo et al. [120]. It can be seen that the viscosity of base water will not increase but decrease slightly when adding PEG600 at 0.02 or 0.2% loadings. Also, the viscosity of nanofluid containing 0.01% TiO2 nanoparticles and 0.02% PEG600 was a little lower than that of the base water. However, for higher loading of PEG, the viscosity will be greatly increased whether or not containing nanoparticles. It can be seen from Fig. 11 that the nanofluids containing 2% PEG600 and 1% TiO2 nanoparticles showed a viscosity higher than 7% in respect to water, which was analogous at each temperature. The above observation showed the viscosity of nanofluids can be lower than the base fluid in some cases, which also occurred in SWCNT nanofluids in their experiment. The decline of viscosity of fluid when adding surfactant or nanoparticles was also been found in some other research. Yang et al. [121] found that emulsifier OP-10 can reduce the viscosity of ammonia–water in lower concentrations. Ling et al. [122] observed that adding SDBS or OP-10 in TiO2 nanofluids with a lower loading can induce a slight drop in viscosity. Therefore, it is an important issue to choose the suitable surfactants to improve the dispersion stability without increasing the viscosity significantly.

The viscosity of TiO2 nanofluids with PEG600 as surfactant [120]. Reproduced with permission from Elsevier

Base Fluid Effect

The information about base fluid effect on viscosity can be illuminated though Chen et al.’s study [119], in which they found the relative increments of viscosity of water-based TiO2 nanofluids were distinctly higher than that of EG based. It seemed that the higher viscosity the base fluid could result in lower increment in viscosity. Mahbubul et al. [110] found that the viscosity of R123 was increased by only 5.2% when adding 2 vol.% TiO2 nanoparticles. Sen et al. [78] and Yapici et al. [118] found relative increments of viscosity about 20 times of the particles’ volume percentages. It also seems that TiO2 nanoparticles are more suitable in the organic liquid because a lower relative increment in viscosity can be obtained especially at the higher temperature. Yiamsawas et al. [123] conducted experiments on a mixture with TiO2 nanoparticles and EG/water (20/80 wt.%) in which the volume loading ranged from 0 to 4% and temperature ranged from 15 and 60 °C. They used the experimental data to present a useful correlation to predict the viscosity.

Shear Rate Effect

Another main distinction on the viscosity of TiO2 nanofluids in different research is that whether the fluids were Newtonian fluids in different shear rates. A typical Newtonian nanofluid can be found in foregoing Fig. 11. However, it can be observed from Table 3 that more than half of the results showed that the TiO2 nanofluids in their work are Newtonian fluids, but some others come to the opposite conclusion. Research on rheological characteristic has demonstrated that whether or not the TiO2 nanofluids exhibit Newtonian behavior is also affected by other factors, including the base fluid type, temperature, and particle loading. A quintessential example can be found in Chen et al.’s research [64], where they measured the viscosity of four types of nanofluids made of TiO2 nanoparticles (25 nm) and TiO2 nanotubes (10 nm × 100 nm) dispersed in water and EG. They found that EG–TiO2 nanofluids exhibited Newtonian behavior, whereas water–TiO2 , water–TNT, and EG–TNT nanofluids exhibited non-Newtonian behavior. They indicated that the rheology behavior of TiO2 nanofluids is affected by their specific ingredient and environment, such as particles’ shape and liquid circumstance. The rheological characteristic of TiO2 nanofluids is also related to the temperature. Yapici et al. [118] investigated the rheological characteristic of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature. The results are shown in Fig. 12. It can be observed that the base fluid PEG was a typical Newtonian fluid in all kinds of temperature. However, TiO2 –PEG200 nanofluids were nearly Newtonian fluid at a lower temperature and higher shear rate, but it changed into non-Newtonian fluid at higher temperature and lower shear rates. Also, in Said et al.’s results [94], the TiO2 nanofluid with 0.1 vol.% loading was Newtonian fluid at 55 °C, whereas it was non-Newtonian below this temperature for 0.3 vol.% particle loading.

Shear rate dependency of viscosity as a function of temperature for 5 wt.% TiO2 –PEG200 nanofluids [118]. Reproduced with permission from Springer

Running Time Effect

When the nanofluids are actually used in a running system, the time-dependent properties of nanofluids should be a crucial issue for the sustainable application. However, this matter has not been widely studied because of the faultiness in the development of nanofluids. It is generally considered that the thermal and rheological properties of nanofluids will be deteriorated due to the aggregation of nanoparticles after running a long time in the system. However, an opposite result in the time-dependent viscosity of TiO2 nanofluids can be observed in Said et al.’s research [94]. Their results for viscosity of TiO2 –water nanofluid with different volume loading and temperature as well as running time are shown in Fig. 13. It can be observed that the viscosity of fresh samples and the stale samples after running in a flat plate solar collector for 1 month were distinctly different. The viscosity of TiO2 nanofluids was decreased after undergoing the alternative variations in temperature and flow rate in the cycle. This observation was quite interesting and could not be explained anywhere else in the literature. They thought this finding could open new research scope for the applications of nanofluids for a long-term use.

Viscosity of TiO2 –water nanofluid with different volume concentrations and different temperatures [94]. Reproduced with permission from Elsevier

An inconsistency in viscosity of TiO2 nanofluids is quite evident. The intensities of growth in viscosity of TiO2 nanofluids with particle loadings greatly differ in various studies. And there is not yet a universal agreement on the effect of temperature, base fluid, and surfactant on viscosity of TiO2 nanofluids. Moreover, the biggest controversy on viscosity of nanofluid is that whether nanofluid is Newtonian fluid or not. The results in Table 3 exhibit that a substantial part of TiO2 nanofluids in their work are Newtonian fluids, but also, some others exhibit non-Newtonian behavior. The pronounced differences in different samples are mainly due to the complex influence factors on the rheological property. The shear rate has been proved to have great effect on the rheological property, and also, it has combined effect with other factors including temperature, shearing time, particle loading, base fluid type, and particle shape [124], which make it rather difficult to predict whether a nanofluid is Newtonian fluid or not except by experimental means.

Surface Tension of Nanofluids

The research on surface tension of TiO2 –H2 O nanofluids is much less than that of thermal conductivity or viscosity. Some results showed that adding TiO2 nanoparticles had little effect on the surface tension of nanofluids. Liu et al. [125] prepared TiO2 –H2 O nanofluids whose particle size ranged from 11 to 50 nm and the surface tensions TiO2 –H2 O nanofluids were investigated experimentally. They found the surface tension had no obvious change with the increase in particle loading because the surface tension of nanofluids (1% mass fraction) increased only 1.6% compared with deionized water. Hu et al. [126] found the surface tension of TiO2 –H2 O nanofluids increases slightly when adding nanoparticles. And the surface tension decreased as an increase in temperature. Buschmann and Franzke [127] found that no obvious variation occurs when adding a high-volume fraction (5 vol.%) of TiO2 nanoparticles in water. Tian and Wang [128] measured the surface tension of TiO2 –water nanofluids by Jolly balance and abruption method. They found that the surface tension behavior of TiO2 –water nanofluid was the same as water viz. the surface tension decreased as the temperature increases. However, the variation of surface tension is related to the content of nanoparticles. When the content of nanoparticles increases rapidly, the decrease rate of surface tension of TiO2 –water nanofluids will slow down. Yang et al. [129] observed that nanoparticles have little effect but the surfactant can greatly change the surface tension of nanofluids, when the loading of surfactant is below the critical micelle concentration (CMC). And they explained this appearance as follows:The effect of surfactant on the surface tension of liquid is much greater than that of nanoparticles. When adding nanoparticles into a fluid containing surfactant whose loading is below CMC, the “free” surfactant will be absorbed on the surface of nanoparticles and then immersed in the liquid, which can weaken the reducing effect of surfactant on the surface tension of liquids.

However, some results also revealed that the nanoparticles played an indispensable role in the surface tension of nanofluids. Chinnam et al. [130] measured the surface tensions of Al2 O3 , ZnO, TiO2 , and SiO2 nanofluids with a mixture of 60% propylene glycol and 40% water as base fluids, respectively. They only used one average particle size of 15 nm for TiO2 nanofluid due to limiting of manufacturer. They presented a single correlation as a function of volume loading and particle size as well as temperature for all the nanofluids by statistical analysis based on the experimental results. The experimental and fitting results related to TiO2 nanofluids are shown in Fig. 14. It was observed that the surface tension of nanofluids decreased as the temperature and particle volume loading increase and the correlation perfectly fitted the experimental data. In addition, they also observed that the surface tension decreased as the particle size decrease for a certain loading and temperature of nanofluids except the ZnO nanofluid.

Variation of measured surface tension values of the TiO2 nanofluids with temperature [130]. For different volumetric concentrations up to 1.5% and containing 15 nm particles. Reproduced with permission from Elsevier

Although the surface tension study of nanofluid is not as prevalent as studies in thermal conductivity or viscosity, surface tension is also an important parameter which can affect the film flow especially the initial infiltration of film and the probability of forming channel flow. Due to the effect of surfactant on surface tension of nanofluids is greater than nanoparticles, some researchers thought that the reduction in surface tension by surfactant SDBS can produce a superior enhancement of pool boiling performance in R141b-based nano-refrigerant [131].

Conclusions

The first part of the review focuses on the preparation and two properties viz. viscosity and surface tension of TiO2 nanofluids. It can be concluded that although one-step method is expected to achieve better dispersion stability, the side effects of the one-step method such as producing by-product and requiring special solution environment seem more fatal because they severely restrict the application scope of nanofluids. Suitable treatments such as adding dispersant, adjusting pH values, and physical means (stirring and sonication) used singly or in combination can greatly improve the dispersion stability. And the two-step method is recommended to be employed with appropriate post-treatment for the preparation of TiO2 nanofluids.

Particle loading is positively correlated to the viscosity, but the effects of other factors are not unified. The viscosities greatly differ in different researches which make the viscosity models hard to predict the experimental value, and hence, the experimental mean is firstly recommended. The surface tension of TiO2 nanofluids is more sensitive to surfactant than nanoparticles. The surfactant with low concentration is suggested to be used when it not brings obvious increase in viscosity and foaming ability due to the potential advantages such as reduction in surface tension and improvement in re-dispersible property.


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