Muối nóng chảy là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về muối nóng chảy

Muối nóng chảy (molten salt) là hỗn hợp ion vô cơ tồn tại ở trạng thái lỏng khi nhiệt độ vượt qua điểm nóng chảy của chúng. Khác với chất lỏng thông thường như nước hay dầu nhiệt, muối nóng chảy truyền nhiệt và dẫn điện thông qua sự dịch chuyển trực tiếp của các ion. Ở giai đoạn lỏng, các cation và anion không còn bị ràng buộc trong mạng tinh thể cố định, tạo điều kiện cho các tương tác điện tích và va chạm nhiệt động thúc đẩy quá trình truyền năng lượng.

Muối nóng chảy thường được phối trộn từ hai hoặc ba loại muối đơn chất để đạt được điểm nóng chảy tối ưu và dải nhiệt độ hoạt động rộng. Ví dụ, muối nitrat hỗn hợp NaNO₃–KNO₃ có điểm nóng chảy khoảng 220 °C giữ ổn định đến trên 500 °C, trong khi các hệ cacbonat hoặc flourit có thể hoạt động ở nhiệt độ vượt 700 °C. Tính linh hoạt này biến muối nóng chảy thành môi trường truyền nhiệt lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp yêu cầu nhiệt độ cao và lưu trữ năng lượng.

• Trạng thái lỏng ion học cho phép truyền nhiệt qua va chạm trực tiếp giữa các ion.
• Điện tích tự do của ion tạo nên độ dẫn điện cao, ứng dụng trong truyền tải năng lượng.
• Khả năng ổn định về hóa học và nhiệt học ở vùng nhiệt độ rộng.

Tính chất vật lý và hóa học

Muối nóng chảy có nhiệt dung riêng (c_p) cao, điển hình trong khoảng 1.2–1.6 J·g⁻¹·K⁻¹, cho phép lưu trữ lượng lớn năng lượng khi gia nhiệt. Năng lượng thu nhiệt được tính theo công thức:

$Q = m \, c_p \, \Delta T$ trong đó m là khối lượng muối, c_p nhiệt dung riêng và ΔT chênh lệch nhiệt độ.

Độ dẫn nhiệt của muối nóng chảy thay đổi theo nhiệt độ và thành phần ion; thông thường dao động 0.5–1.0 W·m⁻¹·K⁻¹. Độ nhớt (η) cũng giảm khi nhiệt độ tăng, giúp giảm tổn hao áp suất khi tuần hoàn trong hệ thống. Về hóa học, muối nóng chảy bền với oxy hóa ở môi trường trơ, ít phản ứng với các chất hữu cơ hay khí, nhưng có thể ăn mòn kim loại ở nhiệt độ cao, đòi hỏi vật liệu ống dẫn và bồn chứa phải chọn loại chịu nhiệt và chống ăn mòn chuyên dụng.

Cơ chế truyền nhiệt và dẫn điện ion

Truyền nhiệt trong muối nóng chảy chủ yếu thông qua sự va chạm giữa các ion chuyển động nhiệt; mỗi va chạm truyền năng lượng động học đến các ion lân cận, tạo nên dòng nhiệt liên tục. So với lưu chất trung gian khác, quá trình truyền nhiệt của muối nóng chảy không phụ thuộc vào sự đối lưu mạnh, mà dựa trên tính chất dẫn nhiệt của mạng ion lỏng.

Khả năng dẫn điện của muối nóng chảy bắt nguồn từ sự di động tự do của cation và anion. Mật độ dòng điện ion tỉ lệ thuận với tích của điện tích ion, nồng độ tự do và vận tốc khối ion dưới hiệu ứng điện trường. Công thức Nernst–Einstein mô tả sự phụ thuộc của độ dẫn điện σ theo hệ số khuếch tán D, nồng độ ion c và nhiệt độ:

$\sigma = \frac{F^2}{RT} \sum_i z_i^2 \, D_i \, c_i$ với F hằng số Faraday, R hằng số khí, T nhiệt độ tuyệt đối, z_i điện tích ion và D_i hệ số khuếch tán.

• Tương tác Coulomb giữa ion chịu trách nhiệm truyền nhiệt bền vững.
• Sự giảm độ nhớt khi tăng nhiệt độ giúp dòng chảy ổn định hơn.
• Điện dẫn ion có thể đạt 0.5–1.5 S·cm⁻¹ ở nhiệt độ 300–600 °C.

Hệ muối nóng chảy phổ biến

Hệ muối nitrat NaNO₃–KNO₃ (gọi là “solar salt”) là hỗn hợp tiêu chuẩn dùng trong hệ CSP (Concentrated Solar Power), với thành phần 60 % NaNO₃ và 40 % KNO₃ theo khối lượng. Điểm nóng chảy ~220 °C, nhiệt độ hoạt động tối ưu 290–565 °C, dễ chế tạo và giá thành hợp lý.

Hệ cacbonat (Li₂CO₃–K₂CO₃–Na₂CO₃) cho phép hoạt động ở 500–600 °C, thường dùng trong lưu trữ nhiệt công nghiệp và các thử nghiệm thí điểm lò phản ứng MSR. Hệ flourit LiF–BeF₂ (FLiBe) có điểm nóng chảy khoảng 459 °C, nhiệt độ ổn định vượt 700 °C, ứng dụng chính trong lò phản ứng muối nóng chảy thế hệ IV.

Hệ muối	Thành phần	Điểm nóng chảy (°C)	Ứng dụng
Solar salt	NaNO₃–KNO₃ (60:40)	220	CSP thu nhiệt mặt trời
Carbonate	Li₂CO₃–K₂CO₃–Na₂CO₃	397	Lưu trữ nhiệt công nghiệp
FLiBe	LiF–BeF₂	459	Lò MSR, tản nhiệt cao nhiệt
NO₃–NO₂	NaNO₂–NaNO₃	142	Lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ thấp

Sự kết hợp và điều chỉnh thành phần muối cho phép mở rộng dải nhiệt độ làm việc, giảm ăn mòn và cải thiện hiệu suất nhiệt. Việc lựa chọn hệ muối phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu nhiệt độ hoạt động, chi phí và tính tương thích vật liệu.

Ứng dụng trong thu nhiệt năng lượng mặt trời

Hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng muối nóng chảy làm môi trường truyền nhiệt và lưu trữ năng lượng nhiệt. Muối được đun nóng lên khoảng 290–565 °C trong bộ thu tháp hoặc máng parabola, sau đó đưa vào bồn chứa nóng để dự trữ năng lượng khi ánh nắng yếu hoặc ban đêm.

Bồn chứa hai bình (two-tank system) gồm bình muối nóng và bình muối lạnh, cho phép tuần hoàn muối giữa hai bình theo chu trình sạc – xả. Khi cần phát điện, muối nóng được dẫn qua bộ trao đổi nhiệt để sinh hơi, vận hành tua-bin hơi nước và phát điện liên tục với hiệu suất lưu trữ nhiệt lên đến 98 % (NREL).

Thành phần hệ CSP	Nhiệt độ hoạt động	Chức năng
Bộ thu nhiệt parabola/tháp	290–565 °C	Làm nóng muối
Bồn chứa nóng/lạnh	290 °C / 220 °C	Lưu trữ và cung cấp nhiệt
Bộ trao đổi nhiệt	150–300 °C	Sinh hơi cho tua-bin

Ứng dụng trong lò phản ứng hạt nhân

Trong lò phản ứng muối nóng chảy thế hệ IV (MSR), muối nóng chảy vừa là chất làm mát vừa làm dung môi chứa nhiên liệu phân hạch, thường là hỗn hợp LiF–BeF₂–ThF₄ hoặc LiF–NaF–KF (IAEA). Nhiên liệu tan trong muối giúp duy trì quá trình phân hạch liên tục và tự điều chỉnh nhiệt độ.

MSR vận hành ở áp suất gần khí quyển, giảm nguy cơ rò rỉ phóng xạ và áp lực vỡ vỏ lò. Đồng thời, lò có khả năng hấp thụ sản phẩm phân hạch và tái chế actinide, giảm tồn dư phóng xạ lâu dài. Nhiệt độ hoạt động 600–700 °C gia tăng hiệu suất nhiệt và tận dụng nhiệt dư cho các quá trình công nghiệp.

• Áp suất thấp, tăng độ an toàn (Low-Pressure Operation).
• Khả năng tái chế nhiên liệu và giảm phế thải phóng xạ.
• Phù hợp cho đồng phát nhiệt điện-nhiệt (co-generation).

Ứng dụng trong lưu trữ nhiệt công nghiệp

Muối nóng chảy được sử dụng để lưu giữ nhiệt dư thải từ các nhà máy thép, xi măng, hóa chất, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải. Nhiệt độ dư thải 350–550 °C phù hợp với hệ muối nitrat hoặc cacbonat, cho phép tích trữ và tái sử dụng cho gia nhiệt tiếp theo.

Hệ thống trao đổi nhiệt tuần hoàn (heat recovery loop) dẫn muối nóng qua bình trao đổi để làm nóng không khí hoặc nước công nghiệp. Ứng dụng bao gồm sấy khô nguyên liệu, tiền nung vôi, hấp thụ nhiệt trong quy trình hóa dầu. Việc tận dụng nhiệt thải góp phần giảm chi phí nhiên liệu và cải thiện hiệu quả năng lượng tổng thể.

Thách thức và khuyết điểm

Khả năng ăn mòn kim loại của muối nóng chảy, nhất là hệ nitrat, clorua và fluorua, đòi hỏi vật liệu ống dẫn, bồn chứa phải chịu nhiệt và chống ăn mòn như inox hợp kim cao Cr hoặc phủ gốm. Sự ăn mòn có thể gây rò rỉ và giảm tuổi thọ thiết bị.

Điểm nóng chảy cao của nhiều hệ muối (>220 °C) dẫn đến nguy cơ đông đặc trong ống khi hệ thống dừng hoặc khởi động chậm. Cần thiết kế hệ thống gia nhiệt phụ trợ hoặc túi nén muối dự trữ để giữ muối ở trạng thái lỏng.

• Chi phí đầu tư ban đầu cao do vật liệu chịu nhiệt và ăn mòn.
• Độc tính của một số ion (BeF₂) yêu cầu biện pháp an toàn nghiêm ngặt.
• Quản lý và tái chế muối đã biến chất phức tạp, cần công nghệ xử lý chuyên sâu.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Nhiều nghiên cứu tập trung phát triển muối hỗn hợp có điểm nóng chảy thấp hơn (≤150 °C) và độ ăn mòn giảm nhờ bổ sung oxit hoặc hợp kim kim loại. Ví dụ muối nitrat–nitrit có điểm nóng chảy 142 °C cho lưu trữ nhiệt độ trung bình.

Công nghệ phủ gốm và composite ceramic-metal (cermet) trên bề mặt ống dẫn muối giúp giảm ăn mòn và tăng độ bền. Đặc biệt, lớp phủ SiC và Al₂O₃ cho hiệu quả bảo vệ vượt trội ở nhiệt độ cao và môi trường ion mạnh.

Hướng nghiên cứu	Mục tiêu	Công bố tiêu biểu
Muối điểm nóng chảy thấp	Giảm yêu cầu gia nhiệt	ACS Energy & Fuels, 2019
Composite phủ cermet	Chống ăn mòn	ScienceDirect, 2020
Tái chế muối đã qua sử dụng	Giảm phát thải	OSTI, 2018

Tài liệu tham khảo

1. NREL – Molten Salts Research
2. IAEA – Molten Salt Reactors
3. ScienceDirect – Molten Salts
4. OSTI – Molten Salt Heat Transfer and Storage
5. ACS Energy & Fuels – Advances in Molten Salt Technology