Nanofluides de TiO₂ : Applications, défis et orientations futures – Partie 2

Résumé

Le domaine des nanofluides a connu une croissance rapide en raison de leurs propriétés exceptionnelles de transport de chaleur et de masse, de fluidité et de stabilité de dispersion. Ces attributs les rendent attractifs pour une variété de systèmes énergétiques, notamment les collecteurs solaires, la réfrigération, les caloducs et le stockage d'énergie. Dans cette deuxième partie de la revue, nous consolidons les résultats récents sur les nanofluides de TiO₂, en mettant en évidence leurs applications, en identifiant les défis prévalents et en proposant des directions pour la recherche future. Ensemble, ces deux revues complètes visent à servir de référence pratique pour les chercheurs cherchant à rester à jour sur l'état de la technologie des nanofluides de TiO₂ et à inspirer de nouvelles investigations.

Revue

Contexte

La Partie 1 de cette série a examiné la synthèse, la stabilité et les propriétés fondamentales des nanofluides de TiO₂. La section actuelle s'appuie sur cette fondation en se concentrant sur leur déploiement pratique dans les systèmes énergétiques. De nombreuses études ont exploré les nanofluides de TiO₂ dans les collecteurs solaires, la réfrigération, le stockage d'énergie, les caloducs et d'autres applications thermiques telles que les radiateurs automobiles, les systèmes hybrides PV/T et les centrales de cogénération [12–34]. Bien que des travaux antérieurs aient résumé les caractéristiques de transfert de chaleur à travers la conduction, l'ébullition et la convection naturelle [35], une vue d'ensemble holistique des applications des nanofluides de TiO₂ fait défaut. Cette revue intègre donc des résultats expérimentaux et théoriques récents pour fournir une image complète des nanofluides de TiO₂ dans des contextes énergétiques.

Application dans l'amélioration de la conductivité thermique

Les nanofluides tirent leurs avantages de performance de l'ajout de nanoparticules, et la conductivité thermique est une mesure clé pour évaluer leur potentiel. Bien que de nombreuses revues discutent de la conductivité thermique dans le contexte des propriétés physiques, son impact direct sur la performance d'application mérite une attention dédiée. Cette section évalue les facteurs influençant la conductivité thermique et présente une synthèse visuelle des données expérimentales pour les nanofluides de TiO₂.

Les investigations expérimentales et théoriques démontrent de manière cohérente que l'incorporation de nanoparticules de TiO₂ peut augmenter nettement la conductivité thermique des fluides de base. Les paramètres influents peuvent être regroupés en trois catégories :

• Facteurs internes – type de particule, chargement [36, 37], taille [38], forme [39], structure [40], type de fluide de base [41], et surfactant ou régulateur de pH [42, 43].
• Facteurs externes – température [40], temps de vibration supersonique [44], temps de stockage [45], ou temps opérationnel [46].
• Facteurs à l'échelle micro – état de charge de surface [47], agrégation de particules [48], nanocouche interfaciale [49], mouvement brownien [50], agrégation [51], résistance thermique interfaciale, et diffusion par différence de masse [52].

Pour fournir une vision plus claire, la Figure 1 regroupe l'augmentation en pourcentage de la conductivité thermique rapportée dans la littérature, illustrant l'étendue des effets observés.

Dépendance en fraction de volume de la conductivité thermique des nanofluides TiO₂–eau rapportée dans la littérature.

Les différences dans les améliorations rapportées découlent de variations de la taille des particules, forme, utilisation de surfactant, pH, température et autres conditions expérimentales. Certaines études rapportent des augmentations modestes (2–4 % par chargement en volume) [53–59], tandis que d'autres observent des augmentations substantielles (6–20 % par chargement en volume) [60–65]. Dans certains cas, l'ajout de TiO₂ donne des améliorations négligeables, comme noté par Utomo et al. [66] qui ont trouvé une conductivité inférieure à celle prédite en raison d'une teneur élevée en dispersant.

Effet du chargement en particules

La Figure 1 démontre que, quelle que soit l'amplitude de l'effet, les nanoparticules de TiO₂ améliorent constamment la conductivité du fluide de base. Cependant, l'étendue de l'amélioration varie largement entre les études, soulignant l'importance de conditions expérimentales contrôlées.

Effet de la forme des particules

L'influence de la forme et de la taille est moins fréquemment étudiée. Murshed et al. [62] ont comparé des TiO₂ en forme de bâtonnets (10 × 40 nm) et sphériques (15 nm) dans l'eau, trouvant une amélioration légèrement plus élevée pour les bâtonnets (≈33 % vs 30 %). Chen et al. [64] ont évalué des TiO₂ sphériques et des nanotubes de TiO₂ (10 × 100 nm) dans l'eau et le glycol éthylène, rapportant des améliorations comparables mais dépassant les prédictions du modèle Hamilton-Crosser.

Effet de la température

La température est un facteur externe crucial. Wang et al. [67] ont montré que des températures plus élevées amplifient le bénéfice de conductivité, s'alignant avec les modèles incorporant le mouvement brownien et la micro-convection. Reddy et al. [68] ont confirmé une hausse concomitante de la conductivité avec le chargement en particules et la température (chargement 0,2–1,0 %, 10–60 °C). Yang et al. [58] ont observé une tendance similaire dans les nanofluides ammoniac-eau. Néanmoins, certaines études rapportent une influence minimale de la température [54, 69], probablement due à des effets concurrents tels que les changements de dispersion des particules, couches interfaciales ou viscosité.

Influence de la température sur l'amélioration de la conductivité des nanofluides TiO₂ rapportée dans différentes études.

Effet du fluide de base

Les propriétés intrinsèques du fluide de base affectent fortement l'amplitude de l'amélioration de la conductivité. Chen et al. [64] ont trouvé des gains plus élevés dans le glycol éthylène par rapport à l'eau pour les TiO₂ sphériques et tubulaires. Reddy et al. [68] ont rapporté un gradient d'amélioration : eau (0,649 %–5,01 %) < EG/W (40 %:60 %) < EG/W (50 %:50 %). En revanche, Cabaleiro et al. [41] ont observé des améliorations plus faibles pour EG, PG et huile de paraffine par rapport à l'eau, attribuant la différence à la viscosité et aux effets interfaciaux.

Effet des surfactants

Les surfactants peuvent stabiliser la dispersion des nanoparticules et influencer la conductivité. Saleh et al. [65] ont évalué SDS, CTAB et Span-80, trouvant que le SDS donnait la plus grande amélioration, suivi par CTAB et Span-80. D'autres études notent que les surfactants peuvent déprimer la conductivité, surtout à hautes concentrations [66]. Yang et al. [58] ont souligné le rôle de l'ammoniac (pH) dans l'amélioration de la stabilité et, par conséquent, de la conductivité.

Effet de différents surfactants sur la conductivité des nanofluides TiO₂–eau [65].

Effet de la sonication

Le traitement ultrasonique améliore la dispersion et peut influencer la conductivité. Ismay et al. [71] ont rapporté une conductivité maximale lorsque le pH approchait 7 et après 2 h de sonication. Sonawane et al. [70] ont démontré que la conductivité augmentait jusqu'à 60 min de sonication, au-delà de laquelle l'agrégation réduisait la performance.

Pourcentage d'amélioration de la conductivité en fonction du temps de sonication : (a) eau, (b) glycol éthylène, (c) huile de paraffine [70].

Études théoriques

De nombreux modèles existent pour prédire la conductivité des nanofluides, incorporant souvent des couches interfaciales, le mouvement brownien, la taille des particules, le rapport d'aspect et l'agrégation. Le Tableau 1 résume les modèles spécialisés pour nanofluides TiO₂, mettant en évidence leur dépendance à l'ajustement expérimental et la variance dans l'applicabilité. En raison de la dispersion expérimentale inhérente, une approche pragmatique reste de réaliser des mesures préliminaires pour chaque cas d'application.

Absorption solaire

Les collecteurs thermiques solaires souffrent d'une efficacité d'absorption limitée lors de l'utilisation de fluides conventionnels. Les nanofluides de TiO₂ offrent des propriétés thermiques et optiques supérieures, améliorant la performance des collecteurs. Khullar et al. [83] ont illustré un système de chauffage d'eau solaire concentré basé sur nanofluide, prédisant des réductions d'émissions substantielles et des économies d'énergie. Chaji et al. [84] ont rapporté une augmentation d'efficacité de 2,6–7 % dans un collecteur à plaque plate utilisant des nanofluides de TiO₂. Said et al. [85] ont atteint une efficacité exergétique de 16,9 % avec un chargement de 0,76 % vol de TiO₂ à un débit de 0,5 kg min⁻¹.

Schéma d'un système de chauffage d'eau solaire concentré basé sur nanofluide [83].

Des études numériques confirment que les nanofluides de TiO₂ et d'autres améliorent l'efficacité des collecteurs et réduisent les émissions de gaz à effet de serre [86–89]. Des analyses optiques montrent que les nanofluides de TiO₂ présentent une absorptivité plus élevée à travers les longueurs d'onde visibles comparé à Al₂O₃ [88], avec une absorption évoluant linéairement avec la fraction de volume. Le chargement optimal de TiO₂ pour les collecteurs solaires est typiquement en dessous de 0,1 % vol pour équilibrer les gains d'absorption et de conductivité thermique [90].

Réfrigération

Les nanoparticules incorporées dans les réfrigérants — souvent appelées nano-réfrigérants — améliorent le transfert de chaleur, réduisent la consommation d'énergie et améliorent la performance globale du système. Les nanoparticules de TiO₂ sont compatibles avec une large gamme de réfrigérants (R134a, R600a, R436a, R12, R22, R410a, etc.) [94–103]. Les résultats expérimentaux démontrent jusqu'à 26 % d'économies d'énergie et 25 % de réduction de CO₂ à 0,1 % massique de TiO₂ [96, 103]. Cependant, la stabilité à long terme reste une préoccupation ; les cycles alternés de condensation-évaporation peuvent causer une dégradation de 28–73 % de la suspension de nanoparticules [15]. La recherche future doit se concentrer sur les techniques de re-dispersion en temps réel et l'optimisation des surfactants pour atténuer la sédimentation.

Stockage d'énergie

Les nanofluides de TiO₂ peuvent améliorer la performance des matériaux à chaleur latente en augmentant la conductivité thermique. Des études sur des solutions aqueuses de BaCl₂ révèlent des gains de conductivité de 12–16 % à 1 % de chargement TiO₂ [104, 105]. Dans les composites PCM solides, l'addition de TiO₂ augmente la conductivité de 12–80 % tout en réduisant légèrement la chaleur latente ; les chargements optimaux sont de 0,5–5 % massique [106–109]. Dans la paraffine, 7 % massique de TiO₂ augmente la conductivité de 13 % mais diminue la chaleur latente de 9 % [111]. Ces résultats suggèrent que les PCM améliorés par TiO₂ sont prometteurs pour le stockage d'énergie à haute température, à condition que le compromis entre conductivité et chaleur latente soit acceptable.

Caloducs

Les nanofluides améliorent le transfert de chaleur par ébullition et le flux de chaleur critique dans les caloducs. Zhou et al. [114] ont observé des températures de démarrage réduites et des temps de démarrage plus courts pour des caloducs à gravité remplis de TiO₂. Saleh et al. [65] ont confirmé que les nanofluides adhèrent au modèle de mouvement brownien et atteignent une performance optimale à une inclinaison de 45° et 60 % de charge de fluide. Dans les échangeurs de chaleur à caloduc thermosiphon, 3 % massique TiO₂–méthanol délivre 30–33 % d'économies d'énergie sous conditions humides [115].

Transfert de masse

Les nanofluides de TiO₂ améliorent les coefficients de transfert de masse dans les systèmes gaz-liquide. Les nanofluides à base de MDEA ont augmenté l'absorption de CO₂ de 3–14 % [116]. Dans l'absorption d'ammoniac en film tombant, le TiO₂ anatase a augmenté le taux de 10 % [117], tandis que le TiO₂ rutile a atteint 60,8 % d'amélioration dans des configurations à tubes à ailettes [118]. Dans les électrolytes, 0,015 % vol TiO₂ et 0,01 % vol γ-Al₂O₃ ont amélioré le transfert de masse de 18 % et 10 % respectivement [119]. Ces améliorations sont attribuées à la réduction de l'agrégation des particules et à l'augmentation de l'activité brownienne.

Fluide de coupe pour fraisage

Les nanorefrigérants TiO₂–glycol éthylène réduisent la température de la pièce de 30 % et prolongent la durée de vie de l'outil de 40 % lors du fraisage d'acier inoxydable [121, 122]. L'analyse MEB/EDX révèle une couche d'oxyde riche en TiO₂ protectrice sur le bord de l'outil, atténuant l'usure. Ces résultats soulignent les avantages doubles de performance thermique et tribologique dans les applications d'usinage.

Défis et travaux futurs

Défis

Malgré une performance prometteuse, les nanofluides de TiO₂ font face à plusieurs obstacles :

• Stabilité à long terme – sédimentation et agglomération pendant l'opération prolongée dégradent la performance. Des dispositifs de re-dispersion en temps réel et un contrôle des surfactants sont requis.
• Perte de charge – l'augmentation de la viscosité entraîne une puissance de pompage plus élevée. Des stratégies pour équilibrer les gains de conductivité contre la résistance à l'écoulement sont essentielles.
• Effets secondaires des surfactants – moussage et moussage potentiel sous chauffage ou conditions d'écoulement nécessitent une sélection soignée des surfactants.
• Impact environnemental – la gestion des déchets et la toxicité écologique potentielle des fluides chargés en nanoparticules doivent être adressées.
• Évaluation standardisée – des métriques unifiées pour la stabilité, l'adhésion et la durabilité des propriétés font défaut.

Travaux futurs

Les priorités de recherche clés incluent :

• Développer des nanofluides TiO₂ à haute quantité, haute température, stables à long terme.
• Concevoir des systèmes de re-dispersion en temps réel (ultrasoniques ou mécaniques).
• Quantifier les effets des surfactants sur les propriétés thermophysiques.
• Optimiser la perte de charge tout en maximisant l'amélioration du transfert de chaleur.
• Établir des protocoles de sécurité environnementale pour l'élimination des nanoparticules.
• Créer des indices de performance complets couvrant stabilité, adhésion et durabilité.

Conclusions

Cette revue consolide les avancées récentes dans les applications des nanofluides de TiO₂ et met en lumière les défis critiques qui doivent être adressés pour l'adoption industrielle. Bien que le chargement en particules influence positivement la conductivité thermique, l'amplitude varie entre les études en raison de mécanismes micro-échelle complexes. Les nanofluides de TiO₂ montrent un fort potentiel dans les collecteurs solaires, la réfrigération, le stockage d'énergie, les caloducs et l'usinage. Cependant, la performance à long terme, les pénalités de perte de charge et les préoccupations de stabilité restent des barrières pivots. La recherche future devrait se concentrer sur la stabilité, la re-dispersion en temps réel, l'optimisation des surfactants et des cadres d'évaluation robustes pour débloquer le plein potentiel des nanofluides de TiO₂.