表面工程化纳米流体在地热系统中的稳定性增强与传热性能优化研究

针对地热系统中传统传热流体效率低、纳米流体长期稳定性差的问题，研究人员通过表面修饰技术（SDS/APTES/Span 80）对铝基纳米流体进行改性，结合多尺度表征和CFD模拟，发现SDS修饰体系具有最优的4个月稳定性、22%摩擦因子降低和30%能量回收提升，为地热能源高效开发提供了创新解决方案。

　　

地热能作为清洁能源的重要组成部分，其开发效率受限于传统传热流体（如水、乙二醇）的低导热性能。虽然纳米流体能显著提升传热效率，但纳米颗粒的团聚和沉降问题导致长期稳定性不足，严重制约其在地热系统中的应用。当前研究面临三大挑战：缺乏系统性的表面修饰策略评估、长期稳定性量化模型的缺失、以及热力学性能与流变特性的平衡难题。

加拿大卡尔加里大学的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表的研究中，创新性地采用三种表面修饰剂（阴离子型SDS、硅烷偶联剂APTES、非离子型Span 80）对铝基纳米流体进行功能化，通过长达4个月的多尺度实验与模拟研究，揭示了不同稳定机制对地热应用的适用性。

研究采用动态光散射（DLS）监测粒径分布，zeta电位分析评估静电稳定性，CT扫描和冷冻电镜（Cryo-SEM）实现三维微观结构观测，结合计算流体力学（CFD）模拟流动传热特性。通过热重分析（TGA）验证高温稳定性，并建立基于DLVO理论的稳定性指数（SI）预测模型。

【稳定性评估】
DLS数据显示SDS修饰样品在120天内流体动力学直径增幅最小（<20nm），APTES和Span 80体系在100天后分别出现130nm和150nm的聚集体。CT扫描定量分析显示SDS体系截面高度变异系数（CV）最低（0.54→0.70），而Span 80体系出现明显沉降分层。

【稳定机制解析】
FTIR证实SDS通过-SO₃^-基团实现静电稳定（zeta电位-42.7mV），APTES通过Si-O-Si共价键结合胺基立体阻碍（-36.5mV），Span 80依赖酯基空间位阻（-26.2mV）。DLVO理论计算显示APTES体系能垒最高（8.5zJ），但实际应用中SDS表现出更优的长期稳定性。

【热流性能】
Yu-Choi模型计算的导热系数显示APTES体系提升30%（0.778W/m·K），但SDS体系在Prandtl数（7.58）与粘度（1.02mPa·s）间取得最佳平衡。CFD模拟表明SDS体系摩擦因子降低22%，能量回收率提升30%，显著优于未修饰体系（+4%）和Al₂O₃-TiO₂混合体系（+13.6%）。

【创新模型】
提出的稳定性指数模型将布朗运动动能与颗粒相互作用势能相关联，通过zeta电位等易测参数预测长期稳定性，经验证与120天实验数据的误差<5%。

该研究确立了表