وقود نانو متفوق عن طريق التشتت بالموجات فوق الصوتية
يبدأ تطوير الوقود النانوي بالتشتت الفعال. يمكن للجسيمات النانوية المضافة إلى الديزل أو الديزل الحيوي أو الوقود المخلوط أن تؤثر على عملية الاحتراق، لكن أداءها يعتمد على مدى جودة توزيعها في السائل. ويؤدي التكتل والترسيب إلى زيادة صعوبة الحفاظ على تركيز ثابت للمضافات والحصول على نتائج قابلة للتكرار. يعالج التشتت بالموجات فوق الصوتية هذا التحدي عن طريق تفكيك تجمعات الجسيمات وتوزيع المضافات النانوية في جميع أنحاء الوقود.
وقود النانو
يتكون الوقود النانوي من خليط من الوقود الأساسي (مثل الديزل والديزل الحيوي ومزيج الوقود) وجزيئات النانو. تعمل هذه الجسيمات النانوية كمحفزات نانوية هجينة ، والتي توفر مساحة سطح تفاعلية كبيرة. يؤدي التشتت بالموجات فوق الصوتية للمادة المضافة النانوية إلى تحسين أداء الوقود بشكل كبير مثل تقليل تأخير الاشتعال ، واستمرار اللهب الأطول واشتعال التكتل بالإضافة إلى تخفيضات إجمالية كبيرة في الانبعاثات.
تتفوق خلطات جزيئات الوقود بحجم النانو على الوقود السائل النقي فيما يتعلق بأداء الوقود من خلال كثافة طاقة أعلى ، واشتعال أسرع وأسهل ، وتأثير تحفيزي محسن ، وانبعاثات أقل ، ومعدل تبخر وحرق أسرع ، وتحسين كفاءة الاحتراق.
استخدم تقنية المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات النانوية في الوقود!
اتصل بفريقنا لاستكشاف تقنية التشتت بالموجات فوق الصوتية لتطبيقاتك التي تجمع بين الوقود والجسيمات النانوية.
7kW نظام التدفق بالموجات فوق الصوتية
الوقود النانوي: التشتت بالموجات فوق الصوتية للجسيمات النانوية في الوقود
لتجنب ترسب الجسيمات النانوية في خزان الوقود، يجب تشتيت هذه الجسيمات بطريقة متطورة. ويساعد التشتيت بالموجات فوق الصوتية على دمج الجسيمات النانوية — مثل أكسيد السيريوم وأكسيد الألومنيوم والأنابيب النانوية الكربونية — في الديزل والديزل الحيوي ومخاليط الوقود.
من خلال التكهف الصوتي – تشكيل وانهيار الفقاعات المجهرية – يولد المعالجة بالموجات فوق الصوتية قوى قص محلية شديدة تعمل على تفكيك تكتلات الجسيمات وتوزيع المواد المضافة في جميع أنحاء السائل. ويؤدي ذلك إلى تعريض مساحة أكبر من سطح الجسيمات للوقود المحيط بها، مما يدعم تقييم الفوائد المتعلقة بالتحفيز الكيميائي والاحتراق.
تعمل الموجات فوق الصوتية على تشتيت السائل مباشرةً دون الحاجة إلى حبيبات طحن إضافية، مما يلغي الحاجة إلى فصل وسائط الطحن لاحقًا. تدعم أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher كلاً من التحضير على دفعات والمعالجة المستمرة المدمجة في خط الإنتاج، مما يجعل هذه التقنية مفيدة بدءًا من الأبحاث المختبرية وصولاً إلى الإنتاج الصناعي.
تمنحك القائمة أدناه نظرة عامة على المواد النانوية التي تم اختبارها بالفعل والمنتشرة في الوقود:
- الأنابيب النانوية الكربونية – أنابيب الكربون النانوية
- Ag – فضة
- آل – الومينيوم
- آل2O3 – أكسيد الألومنيوم
- ألكوx – أكاسيد النحاس الألومنيوم
- b – بورون
- كاليفورنيا – كالسيوم
- كاكو3 – كربونات الكالسيوم
- ف – حديد
- مكعب – نحاس
- كوو – أكسيد النحاس
- م – سيريوم
- الرئيس التنفيذي2 – أكسيد السيريوم
- (سيو2)· (ZrO2) – أكسيد السيريوم الزركونيوم
- ثاني أكسيد الكربون – كوبلت
- ملغ – مغنيسيوم
- مليون – منغنيز
- تيو2 – ثاني أكسيد التيتانيوم
- زنو – أكسيد الزنك
يوفر أكسيد السيريوم أحادي التشتت بالموجات فوق الصوتية نشاطا تحفيزيا عاليا نظرا لارتفاع نسبة السطح إلى الحجم مما يؤدي إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود وتقليل الانبعاثات.
الوقود المائي: وقود مستحلب بحجم النانو باستخدام الموجات فوق الصوتية
الوقود المائي (Aqua-fuels) هو عبارة عن مستحلبات من نوع «الماء في الوقود»، حيث تتوزع قطرات مائية دقيقة في جميع أنحاء مرحلة الوقود المستمرة، مثل الديزل. وتولد أجهزة التمويج الصوتي من Hielscher تجويفًا صوتيًا مكثفًا يعمل على تفتيت القطرات الكبيرة إلى قطرات أصغر، مما يتيح تكوين مستحلبات ذات قطرات نانوية في ظل ظروف صياغة ومعالجة مناسبة. تساعد السعة فوق الصوتية القابلة للتعديل، ومدخلات الطاقة الخاضعة للتحكم، وإدارة درجة الحرارة على تحسين حجم القطرات وقابلية التكرار، بينما تدعم المستحلبات المتوافقة الاستقرار أثناء التخزين والمناولة.
انقر هنا لمعرفة المزيد عن الوقود المائي المعد بالموجات فوق الصوتية!
خلط الوقود بالموجات فوق الصوتية
تستخدم تقنية الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية لإنتاج مزيج مستقر من الإيثانول في الديكان أو الإيثانول في الديزل أو الديزل الحيوي والإيثانول / الإيثانول الحيوي. هذه الخلائط هي وقود أساسي مثالي ، والذي يمكن تحسينه في الخطوة الثانية عن طريق تشتيت جزيئات النانو في الوقود.
إنتاج الوقود المستحلب بالموجات فوق الصوتية
أجهزة الصوتية الصناعية لتشتيت واستحلاب الوقود النانوي
تجمع أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher بين التفكيك الفعال لتكتلات الجسيمات النانوية والتحكم الدقيق في العملية من أجل تطوير وإنتاج الوقود النانوي. يساعد التكهف فوق الصوتي المكثف على تفكيك تكتلات الجسيمات وتوزيع المواد المضافة، مثل أكاسيد المعادن والأنابيب النانوية الكربونية، في جميع أنحاء الديزل والديزل الحيوي والوقود المخلوط. وتدعم السعة القابلة للتعديل ومراقبة مدخلات الطاقة ودرجة الحرارة إمكانية تكرار المعالجة وتحسين التركيبات. من خلال الأجهزة المختبرية والأنظمة الصناعية المُهيأة للتشغيل على دفعات أو بالتدفق المستمر، توفر Hielscher مسارًا عمليًّا بدءًا من التجارب الأولية وصولاً إلى أحجام إنتاج أعلى. ويساعد التسجيل التلقائي لبيانات العملية في النماذج الصناعية الرقمية الفرق على توثيق الظروف الناجحة والحفاظ على اتساق المعالجة مع زيادة الإنتاجية.
توسيع نطاق الإنتاج وضمان موثوقيته
بمجرد أن تفي التركيبة بمعايير الجودة المستهدفة، توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية بالتدفق المستمر مسارًا لزيادة حجم الإنتاج. يمر الوقود عبر منطقة معالجة بالموجات فوق الصوتية في ظروف تشغيل محكومة، مع اختيار المعالجة بمرور واحد أو بإعادة التدوير وفقًا للنتيجة المطلوبة. لاختيار المعدات، يرجى توفير معلومات عن الوقود الأساسي ونوع المضافات وتركيزها وجودة التشتت المستهدفة والإنتاجية المطلوبة ودرجة حرارة التشغيل. تسمح هذه التفاصيل لشركة Hielscher بتوصية بمعالج وسونوترويد وتكوين خلية التدفق لإجراء تجارب العملية والتوسع اللاحق.
Hielscher تقدم فعالة من حيث التكلفة، معالجات الموجات فوق الصوتية قوية للغاية مع بصمة صغيرة للتركيب في النباتات ذات المساحة المحدودة والبيئات الصعبة.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | جهاز سونيكاتور موصى به |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000hdT |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000hdT |
متعدد الأطوار كافيتور – ملحق خلية التدفق للحصول على مستحلبات نانوية فائقة الجودة
الأسئلة الشائعة حول إنتاج الوقود النانوي باستخدام الموجات فوق الصوتية
ما هي الوقودات النانوية؟
يشير الوقود النانوي إلى خليط من الوقود والجسيمات النانوية. من خلال تشتيت الجسيمات النانوية النشطة في الوقود ، يتم تغيير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للوقود من خلال وظيفتها ، وهيكلها المشتت ، والتفاعل المعقد لنقل الحرارة ، وتدفق السوائل ، وتفاعلات الجسيمات. بسبب التركيب غير المتجانس ، يتم تحديد خصائص الوقود النانوي حسب نوع الوقود الأساسي بالإضافة إلى تكوين الجسيمات النانوية وحجمها وشكلها وتركيزها وخصائصها الفيزيائية والكيميائية. يمكن أن تختلف خصائص الوقود النانوي اختلافا كبيرا عن خصائص الوقود الأساسي.
كيف يُستخدم الديزل كوقود؟
الديزل هو وقود سائل يتم حرقه في محركات الديزل. في محركات الديزل ، يتم إشعال الوقود دون أي شرارة ، ولكن عن طريق ضغط خليط الهواء الداخل ثم حقن وقود الديزل.
يُعد وقود الديزل التقليدي أحد نواتج التقطير الجزئي المحددة لزيت الوقود البترولي. وبمعنى أوسع، يشير مصطلح "الديزل" أيضًا إلى أنواع الوقود غير المشتقة من النفط، مثل الديزل الحيوي، والديزل الناتج عن تحويل الكتلة الحيوية إلى سائل (BTL)، والديزل الناتج عن تحويل الغاز إلى سائل (GTL)، أو الديزل الناتج عن تحويل الفحم إلى سائل (CTL). ويُعرف كل من BTL وGTL وCTL باسم «وقود الديزل الاصطناعي»، والذي يمكن استخلاصه من أي مادة كربونية (مثل الكتلة الحيوية، والغاز الحيوي، والغاز الطبيعي، والفحم، وما إلى ذلك). وبعد تغويز المادة الخام لتحويلها إلى غاز التخليق، ثم تنقيته، يتم تحويله عبر تفاعل فيشر-تروبش إلى ديزل اصطناعي. ويُعد الديزل منخفض الكبريت للغاية (ULSD) معيارًا لوقود الديزل الذي يحتوي على نسبة كبريت منخفضة بشكل ملحوظ.
ما هو الديزل الحيوي؟
وقود الديزل الحيوي هو وقود متجدد يتم إنتاجه من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية أو الشحوم المعاد تدويرها. يمكن استخدام وقود الديزل الحيوي للتشغيل في مركبات الديزل والمولدات. خصائصه الفيزيائية تشبه تلك الموجودة في الديزل البترولي ، على الرغم من أنه يحترق أنظف. يقلل وقود الديزل الحيوي من انبعاثات الهيدروكربونات غير المحترقة (UHC) وثاني أكسيد الكربون (CO2) وأول أكسيد الكربون (CO) وأكاسيد الكبريت وجزيئات السخام – بالمقارنة مع الانبعاثات الناتجة عن حرق الديزل التقليدي. يمكن أن يكون انبعاث أكاسيد النيتروجين (NOx) أعلى بالنسبة للديزل الحيوي (مقارنة بالديزل). ومع ذلك ، يمكن تقليل ذلك عن طريق تحسين توقيت حقن الوقود.
يتم تحسين إنتاج الديزل الحيوي بشكل كبير من خلال عملية الاسترة بالموجات فوق الصوتية. انقر هنا لمعرفة المزيد عن إنتاج الديزل الحيوي باستخدام الموجات فوق الصوتية!
هل يمكن استخدام الإيثانول كوقود؟
نعم، الإيثانول – كحول الإيثيل (C₂H5يا إلهي! – يمكن استخدامها كوقود. وتُستخدم وقودات الإيثانول في الغالب كوقود للمحركات – ويُستخدم بشكل أساسي كمضاف للوقود الحيوي في البنزين. واليوم، يمكن تشغيل السيارات باستخدام وقود الإيثانول بنسبة 100٪ أو باستخدام ما يُعرف بـ«الوقود المرن» (flex-fuels)، وهو مزيج من الإيثانول والبنزين. ويُنتج عادةً عن طريق عملية تخمير الكتلة الحيوية، مثل الذرة أو قصب السكر. ونظرًا لأن وقود الإيثانول مشتق من الكتلة الحيوية المتجددة والمستدامة، فإنه يُسمى غالبًا «الإيثانول الحيوي». ويمكن للموجات فوق الصوتية عالية الطاقة أن تحسّن إنتاج الإيثانول الحيوي بشكل كبير. انقر هنا لمعرفة المزيد عن إنتاج الإيثانول الحيوي باستخدام الموجات فوق الصوتية!
الإيثانول هو الأكسجين في الديزل الإلكتروني. العيب الرئيسي للديزل الإلكتروني هو عدم امتزاج الإيثانول في الديزل على نطاق واسع من درجات الحرارة. ومع ذلك ، يمكن استخدام وقود الديزل الحيوي بنجاح كخافض للتوتر السطحي للبرمائيات لتثبيت الإيثانول والديزل. يمكن مزج وقود الإيثانول - الديزل الحيوي - الديزل (EB-diesel) بالموجات فوق الصوتية إلى مستحلب دقيق أو نانوي بحيث يكون الديزل EB مستقرا – حتى في درجات حرارة أقل من الصفر ويوفر خصائص وقود فائقة لوقود الديزل العادي.
كيف يعمل التشتت بالموجات فوق الصوتية في إنتاج الوقود النانوي؟
يعتمد التشتت بالموجات فوق الصوتية على ظاهرة التجويف الصوتي لتفتيت التكتلات الجسيمية في الوقود. تتشكل فقاعات مجهرية ثم تنهار، مما يولد قوى قص محلية ونفاثات سائلة تعمل على فصل الجسيمات المتكتلة. تساعد هذه العملية على توزيع المضافات النانوية في جميع أنحاء السائل، كما تدعم تطوير تركيبات قابلة للتكرار.
ما هي الجسيمات النانوية التي يمكن تشتيتها في الوقود باستخدام الموجات فوق الصوتية؟
تشمل المواد التي تمت دراستها في تركيبات الوقود أكسيد السيريوم (CeO₂)، وأكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، وأكسيد الزنك (ZnO)، وأنابيب الكربون النانوية (CNTs). وتعتمد المادة المضافة المناسبة على الوقود الأساسي والهدف المرجو من الأداء. ويتطلب كل مزيج إجراء اختبارات لتحديد التركيزات المناسبة، وظروف المعالجة، ومستوى الاستقرار.
ما الفرق بين مشتت الوقود النانوي ومستحلب الوقود النانوي؟
يحتوي مشتت الجسيمات النانوية على جسيمات صلبة موزعة داخل وقود سائل. أما مستحلب الوقود النانوي فيحتوي على قطرات صغيرة جدًّا من سائل ما مشتتة في سائل آخر، مثل قطرات الماء في الديزل. ويمكن للموجات فوق الصوتية أن تدعم هاتين العمليتين. وتتطلب التركيبات التي تحتوي على جسيمات نانوية وقطرات سائلة مشتتة تقييمًا لكل من استقرار الجسيمات واستقرار المستحلب.
هل يمنع التشتت بالموجات فوق الصوتية الجسيمات النانوية من الترسب؟
يمكن أن يقلل المعالجة بالموجات فوق الصوتية من التكتل ويحسن التوزيع الأولي للجسيمات، لكن الاستقرار الدائم يعتمد أيضًا على التركيبة. وتؤثر خصائص الجسيمات، وتركيز المواد المضافة، وتكوين الوقود، والمواد المُشتتة المتوافقة على مدى بقاء الجسيمات معلقة. وينبغي أن تحدد اختبارات التخزين المدة التي يحافظ خلالها الوقود النانوي النهائي على توزيع مقبول في ظل الظروف المقصودة.
ما هي معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية الأكثر أهمية؟
تشمل المعلمات الرئيسية السعة، والطاقة المدخلة، ومدة المعالجة، ودرجة الحرارة. أما في حالة المعالجة بالتدفق المستمر، فإن معدل التدفق وضغط المفاعل لهما أهمية أيضًا. وينبغي تقييم هذه الإعدادات جنبًا إلى جنب مع التركيبة. وتساعد توثيق الظروف التي تؤدي إلى التشتت المطلوب على إرساء عملية معالجة قابلة للتكرار، كما تدعم التوسع اللاحق في نطاق الإنتاج.
هل يمكن توسيع نطاق إنتاج الوقود النانوي باستخدام الموجات فوق الصوتية من المختبر إلى المعالجة المستمرة؟
نعم. يمكن أن تحدد التجارب المعملية التركيبة وشروط المعالجة قبل إجراء التقييم في خلية تدفق تعمل بالموجات فوق الصوتية. وفي حالة التشغيل المستمر، يمر الوقود عبر منطقة معالجة خاضعة للتحكم. وينبغي أن يؤكد التوسع في نطاق العملية أن النظام الأكبر حجمًا يحقق جودة التشتت والاستقرار المطلوبين عند معدل الإنتاج المستهدف.
كيف أختار جهاز تشتيت بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لاستخدامه في إنتاج الوقود النانوي؟
ابدأ بتحديد الوقود الأساسي، ونوع الجسيمات النانوية وتركيزها، وحجم الدفعة المطلوب أو معدل التدفق، وجودة التشتت المستهدفة. وقم بتضمين درجة حرارة التشغيل وفترة التخزين المقررة. تساعدنا هذه التفاصيل على التوصية بالجهاز الصوتي المثالي، والسونوترويد، وتكوين خلية التدفق المناسبة لإجراء تجارب التطبيق وتخطيط الإنتاج.
الأدب / المراجع
- Asako, Yutaka & Mohamed, S.; Muhammad, Nura & Aziz, Arif; Yusof, Siti Nurul Akmal; Che Sidik, Nor Azwadi (2021): A comprehensive review of the influences of nanoparticles as a fuel additive in an internal combustion engine (ICE). Nanotechnology Reviews 9,2021. 1326-1349.
- D’Silva, R.; Vinoothan, K.; Binu, K.G.; Thirumaleshwara, B.; Raju, K. (2016): Effect of Titanium Dioxide and Calcium Carbonate Nanoadditives on the Performance and Emission Characteristics of C.I. Engine. Journal of Mechanical Engineering and Automation 6(5A), 2016. 28-31.
- Ghanbari, M.; Najafi, G.; Ghobadian, B.; Mamat, R.; Noor, M.M.; Moosavian, A. (2015): Adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) to predict CI engine parameters fueled with nano-particles additive to diesel fuel. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 100, 2015.
- Heydari-Maleney, K.; Taghizadeh-Alisaraei, A.; Ghobadian, B.; Abbaszadeh-Mayvan, A. (2017): Analyzing and evaluation of carbon nanotubes additives to diesohol-B2 fuels on performance and emission of diesel engines. Fuel 196, 2017. 110–123.
- Raj, N.M.; Gajendiran, M.; Pitchandi, K.; Nallusamy, N. (2016): Investigation on aluminium oxide nano particles blended diesel fuel combustion, performance and emission characteristics of a diesel engine. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research 8(3), 2016. 246-257.