خفض NOx باستحلاب الزيت/الماء

من المعروف أن أكاسيد النيتروجين (NO_x) تشكل خطرًا مباشرًا على صحة الإنسان والبيئة. وتسهم محركات الديزل والبنزين المتنقلة والثابتة بدرجة كبيرة في انبعاثات NO_x عالميًا. ويُعد استحلاب الوقود بالماء وسيلة لخفض انبعاثات NO_x من المحركات. ويُعد الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة لإنتاج مستحلبات وقود/ماء ذات قطرات دقيقة الحجم.

تنتج السيارات والشاحنات والطائرات والمولدات الكهربائية والرافعات الشوكية ووحدات تكييف الهواء والغلايات كميات كبيرة من الجسيمات العالقة (PM) وNO_x من خلال احتراق المنتجات البترولية. ويشير NO_x إلى مخاليط من أحادي أكسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂)، وكذلك N₂O وNO₃ وN₂O₄ وN₂O₅. ويسهم أحادي أكسيد النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين في تكوّن الأوزون قرب سطح الأرض والضباب الدخاني ، ويشكلان خطرًا على البيئة والإنسان. وتعالج اللوائح البيئية انبعاثات ملوثات الهواء من خلال تشديد الحدود المسموح بها. وتشمل انبعاثات المحركات أيضًا ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) الناتج عن مركبات الكبريت الموجودة في الوقود. وتُخفَّف هذه المشكلة بإزالة الكبريت بالهدرجة أو إزالة الكبريت بمساعدة الموجات فوق الصوتية.

التشغيل باستخدام مستحلب الوقود/الماء

خلال السنوات الأخيرة، أُنجزت أعمال كثيرة لدراسة تأثير الماء في مستويات انبعاثات NO_x . وقد اختُبرت نسب حجمية مختلفة للوقود:الماء من 1:1 إلى 19:1 لتقييم خصائص الاحتراق. وفي معظم الحالات، أُضيفت مادة خافضة للتوتر السطحي بنسبة حجمية من 1 إلى 2 بالمئة لتثبيت المستحلب.

معلومات أساسية عن الاحتراق

يولّد احتراق الوقود طاقة حرارية وميكانيكية. ويمكن استخدام الجزء الميكانيكي لتشغيل المكابس أو التوربينات لأغراض الدفع أو توليد الكهرباء. وفي معظم المحركات، لا تُستخدم الطاقة الحرارية. ويؤدي ذلك إلى انخفاض الكفاءة الديناميكية الحرارية.

نحو 90% من NO_x الناتج عن عملية احتراق الوقود يكون على هيئة NO. ويتكوّن NO أساسًا من أكسدة النيتروجين الجوي (N₂). ويخفض الماء المضاف إلى الوقود درجة حرارة الاحتراق بفعل تبخر الماء. وعندما يتبخر الماء الموجود في مستحلب الوقود والماء، يتبخر الوقود المحيط به أيضًا. ويزيد ذلك مساحة سطح الوقود. ويؤدي انخفاض درجة الحرارة وتحسّن توزيع الوقود إلى تقليل تكوّن NO_x.

الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية

أظهرت دراسات عديدة أن إدخال الماء في عملية احتراق الوقود يؤدي إلى خفض NO_x المنبعث. ويمكن إضافة الماء بتكوين مستحلب وقود/ماء بطريقتين:

• غير مثبَّت: استحلاب الماء في الوقود ضمن خط المعالجة قبل الحقن
• مثبَّت: تصنيع مستحلب وقود/ماء مستقر لاستخدامه بديلًا مباشرًا للوقود

Canfield (1999) يلخّص خفض NO_x باستخدام الماء والمواد المضافة الأخرى:

• مستحلب غير مثبَّت
  • الماء المضاف vol%: من 10 إلى 80%
  • خفض NO_x بنسبة: من 4 إلى 60%
• مستحلب مثبَّت
  • الماء المضاف vol%: من 25 إلى 50%
  • خفض NO_x بنسبة: من 22 إلى 83%

المستحلب

المستحلب هو مزيج من سوائل غير قابلة للامتزاج عادةً (أطوار)، مثل الزيت والماء. وخلال عملية الاستحلاب، يُدخَل الطور المبعثر (مثل الماء) في الطور السائل (مثل الزيت). ومن خلال تطبيق قص مرتفع، يُقلَّل حجم الجسيمات (= حجم القطرات) في الطور المبعثر. وكلما صغر حجم الجسيمات، زاد استقرار المستحلب الناتج. ويمكن تحقيق استقرار إضافي بإضافة مواد خافضة للتوتر السطحي أو مثبتات. انقر على الرسم أعلاه للاطلاع على نتائج نموذجية لاستحلاب 10% من الماء في زيت المحركات (Velocite 3، Mobil Oil، هامبورغ، ألمانيا) بالموجات فوق الصوتية. وقد أجرى هذه الدراسة Behrend وSchubert (2000).

الموجات فوق الصوتية

عند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بشدات عالية، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر في الأوساط السائلة إلى دورات متناوبة من الضغط المرتفع (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، بمعدلات تعتمد على التردد. وخلال دورة الضغط المنخفض، تُنشئ الموجات فوق الصوتية عالية الشدة فقاعات مفرغة صغيرة أو فجوات في السائل. وعندما تصل الفقاعات إلى حجم لا تعود معه قادرة على امتصاص الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة الضغط المرتفع. وتُسمى هذه الظاهرة التجويف. وأثناء الانهيار الداخلي، تُبلَغ موضعيًا درجات حرارة مرتفعة جدًا (نحو 5,000K) وضغوط مرتفعة جدًا (نحو 2,000atm). ويؤدي الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف أيضًا إلى نشوء نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s.

ثبت أن الموجات فوق الصوتية تنتج مستحلبات شديدة التجانس من الماء في الزيت (w/o) والزيت في الماء (o/w) بفعل القص المرتفع الناتج عن التجويف. وبما أن معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية قابلة للتحكم بدرجة جيدة، فإن حجم الجسيمات وتوزيعها قابلان للضبط وإعادة الإنتاج بدرجة جيدة. وعادةً ما تُطبَّق الموجات فوق الصوتية في مفاعل مزوَّد بخلية التدفق. ولذلك يمكن إنتاج المستحلب باستمرار ضمن خط المعالجة. ولهذا السبب، يمكن استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لإنتاج المستحلبات المثبَّتة وغير المثبَّتة.

يوضح الجدول أدناه قدرات المعالجة العامة لمستويات مختلفة من قدرة الموجات فوق الصوتية.

إزالة الغازات والرغوة بالموجات فوق الصوتية

تساعد الموجات فوق الصوتية أيضًا على تقليل كمية فقاعات الهواء في مزيج المستحلب. وتوضح الصورة على اليمين تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية في محتوى الفقاعات (صور متتابعة بفواصل زمنية قدرها 5sec. من اليسار إلى اليمين). وبما أن التغيرات في محتوى الفقاعات تسبب تقلبات في توقيت الحقن، فإن إزالة الغازات والهواء والرغوة بالموجات فوق الصوتية تحسّن أداء المحرك.

معدات المعالجة بالموجات فوق الصوتية

تُعد Hielscher المورّد الرائد للأجهزة فوق الصوتية ذات قدرات المعالجة العالية على مستوى العالم. وبما أن Hielscher تصنّع أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية تصل قدرتها إلى 16kW لكل جهاز منفرد، فلا توجد حدود لحجم المنشأة أو قدرة المعالجة. وتُستخدم مجموعات من عدة أنظمة بقدرة 16kW لتصنيع كميات كبيرة من أنواع الوقود البديلة المباشرة. ولا تتطلب معالجة الوقود صناعيًا قدرًا كبيرًا من الطاقة فوق الصوتية. ويمكن تحديد احتياجات الطاقة الفعلية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 1kW على نطاق جهاز مكتبي. ويمكن التوسّع بسهولة إلى النطاق الصناعي استنادًا إلى جميع نتائج هذه التجارب المكتبية.

تكاليف المعالجة بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية معالجة فعالة. وتنشأ تكاليف المعالجة بالموجات فوق الصوتية أساسًا من الاستثمار
في الأجهزة فوق الصوتية وتكاليف المرافق والصيانة. وتساعد كفاءة الطاقة المتميزة (انظر الرسم البياني) لأجهزة Hielscher فوق الصوتية على خفض تكاليف المرافق.

المراجع

Behrend, O., Schubert, H. (2000): تأثير لزوجة الطور المستمر في الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية، في: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): تأثيرات احتراق مستحلب الديزل والماء في انبعاثات NO_x من محرك الديزل، في: رسالة ماجستير مقدَّمة إلى كلية الدراسات العليا في University of Florida، 1999.