وقود نانوي فائق الأداء بالتشتيت بالموجات فوق الصوتية
يبدأ تطوير الوقود النانوي بالتشتيت الفعّال. يمكن للجسيمات النانوية المضافة إلى الديزل أو الديزل الحيوي أو خلائط الوقود أن تؤثر في الاحتراق، لكن أداءها يعتمد على مدى جودة توزيعها في جميع أنحاء السائل. ويجعل التكتل والترسب الحفاظ على تركيز ثابت للمادة المضافة والحصول على نتائج قابلة للتكرار أكثر صعوبة. ويعالج التشتيت بالموجات فوق الصوتية هذا التحدي بتفكيك تجمعات الجسيمات وتوزيع الإضافات النانوية في جميع أنحاء الوقود.
الوقود النانوي
يتكون الوقود النانوي من مزيج من وقود أساسي (مثل الديزل أو الديزل الحيوي أو خلائط الوقود) وجسيمات نانوية. وتعمل هذه الجسيمات النانوية بوصفها محفزات نانوية هجينة توفر مساحة سطح تفاعلية كبيرة. ويؤدي تشتيت الإضافة النانوية بالموجات فوق الصوتية إلى تحسين كبير في أداء الوقود، مثل تقليل تأخر الاشتعال، وإطالة استمرار اللهب، واشتعال التكتلات، بالإضافة إلى تخفيضات إجمالية كبيرة في الانبعاثات.
تتفوق خلائط الوقود والجسيمات ذات الحجم النانوي على الوقود السائل الخالص من حيث أداء الوقود، بفضل كثافة طاقة أعلى، واشتعال أسرع وأسهل، وتأثير تحفيزي معزز، وانبعاثات أقل، ومعدلات تبخر واحتراق أسرع، وكفاءة احتراق محسّنة.
استخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات على المستوى النانوي في الوقود!
تواصل مع فريقنا لاستكشاف التشتيت بالموجات فوق الصوتية لمزيج الوقود والجسيمات النانوية لديك.
نظام تدفق بالموجات فوق الصوتية بقدرة 7kW
الوقود النانوي: تشتيت الجسيمات النانوية في الوقود بالموجات فوق الصوتية
لتجنب ترسب الجسيمات النانوية في خزان الوقود، يجب تشتيت الجسيمات بدقة ومنهجية. ويساعد التشتيت بالموجات فوق الصوتية على إدماج الجسيمات النانوية، مثل أكسيد السيريوم وأكسيد الألومنيوم والأنابيب النانوية الكربونية، في الديزل والديزل الحيوي وخلائط الوقود.
من خلال التجويف الصوتي – أي تكوّن الفقاعات المجهرية وانهيارها – تولّد المعالجة بالموجات فوق الصوتية قوى قص موضعية شديدة تفكك تكتلات الجسيمات وتوزع الإضافات في جميع أنحاء السائل. ويكشف ذلك مساحة أكبر من سطح الجسيمات للوقود المحيط، مما يدعم تقييم الفوائد التحفيزية والمتعلقة بالاحتراق.
تؤثر الموجات فوق الصوتية مباشرة في السائل لتشتيته دون إضافة خرز طحن، مما يلغي الحاجة إلى فصل أوساط الطحن لاحقًا. وتدعم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher كلاً من التحضير على دفعات والمعالجة المستمرة ضمن خط الإنتاج، مما يجعل التقنية مفيدة من الأبحاث المختبرية إلى الإنتاج الصناعي.
تقدم لك القائمة أدناه نظرة عامة على المواد النانوية المشتتة في الوقود التي سبق اختبارها:
- CNTs – الأنابيب النانوية الكربونية
- Ag – الفضة
- Al – الألومنيوم
- Al2O3 – أكسيد الألومنيوم
- AlCuOx – أكاسيد الألومنيوم والنحاس
- B – البورون
- Ca – الكالسيوم
- CaCO3 – كربونات الكالسيوم
- Fe – الحديد
- Cu – النحاس
- CuO – أكسيد النحاس
- Ce – السيريوم
- CeO2 – أكسيد السيريوم
- (CeO2)·(ZrO2) – أكسيد السيريوم والزركونيوم
- Co – الكوبالت
- Mg – المغنيسيوم
- Mn – المنغنيز
- TiO2 – ثاني أكسيد التيتانيوم
- ZnO – أكسيد الزنك
يوفر أكسيد السيريوم ذو الحجم النانوي، المشتت أحاديًا بالموجات فوق الصوتية، نشاطًا تحفيزيًا عاليًا بفضل ارتفاع نسبة مساحة سطحه إلى حجمه، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الوقود وتقليل الانبعاثات.
الوقود المائي: وقود مستحلب بحجم نانوي باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
الوقود المائي عبارة عن مستحلبات ماء في وقود، تتوزع فيها قطرات الماء الدقيقة في جميع أنحاء طور وقود مستمر، مثل الديزل. وتولد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher تجويفًا صوتيًا شديدًا يفتت القطرات الكبيرة إلى قطرات أصغر، مما يتيح تطوير مستحلبات ذات قطرات نانوية الحجم في ظل ظروف تركيب ومعالجة مناسبة. وتساعد سعة الاهتزاز فوق الصوتي القابلة للضبط، والتحكم في مدخلات الطاقة، وإدارة درجة الحرارة على تحسين حجم القطرات وقابلية تكرار النتائج، بينما تدعم عوامل الاستحلاب المتوافقة الثبات أثناء التخزين والمناولة.
انقر هنا لمعرفة المزيد عن الوقود المائي المحضّر بالموجات فوق الصوتية!
مزج الوقود بالموجات فوق الصوتية
تُستخدم تقنية الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية لإنتاج مستحلبات مستقرة من الإيثانول في الديكان أو الإيثانول في الديزل، أو خلائط مستقرة من الديزل–الديزل الحيوي–الإيثانول/الإيثانول الحيوي. وتمثل هذه الخلائط وقودًا أساسيًا مثاليًا يمكن تحسينه في خطوة ثانية بتشتيت الجسيمات النانوية في الوقود.
إنتاج الوقود المستحلب بالموجات فوق الصوتية
أجهزة معالجة صناعية بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الوقود النانوي واستحلابه
تجمع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بين التفكيك الفعّال لتكتلات الجسيمات النانوية والتحكم الدقيق في العملية لتطوير الوقود النانوي وإنتاجه. ويساعد التجويف الشديد بالموجات فوق الصوتية على تفكيك تجمعات الجسيمات وتوزيع الإضافات، مثل أكاسيد المعادن والأنابيب النانوية الكربونية، في جميع أنحاء الديزل والديزل الحيوي وخلائط الوقود. وتدعم سعة الاهتزاز القابلة للضبط ومراقبة مدخلات الطاقة ودرجة الحرارة المعالجة القابلة للتكرار وتحسين التركيبة. ومن خلال أجهزة مختبرية وأنظمة صناعية مهيأة للعمل على دفعات أو بالتدفق المستمر، توفر Hielscher مسارًا عمليًا من التجارب الأولية إلى أحجام إنتاج أكبر. ويساعد التسجيل التلقائي لبيانات العملية في الطرز الصناعية الرقمية الفرق على توثيق الظروف الناجحة والحفاظ على اتساق المعالجة مع زيادة معدل المعالجة.
توسيع النطاق والإنتاج الموثوق
بمجرد أن تحقق التركيبة أهداف الجودة، توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية أثناء التدفق مسارًا للوصول إلى أحجام إنتاج أكبر. ويمر الوقود عبر منطقة معالجة بالموجات فوق الصوتية في ظل ظروف تشغيل مضبوطة، مع اختيار المعالجة بمرور واحد أو بإعادة التدوير وفقًا للنتيجة المطلوبة. ولاختيار المعدات، قدّم معلومات عن الوقود الأساسي ونوع المادة المضافة وتركيزها وجودة التشتيت المستهدفة ومعدل المعالجة المطلوب ودرجة حرارة التشغيل. وتتيح هذه التفاصيل لـ Hielscher التوصية بمعالج وسونوترود وتهيئة لخلية التدفق لتجارب العملية وتوسيع النطاق لاحقًا.
توفر Hielscher معالجات بالموجات فوق الصوتية فعّالة من حيث التكلفة وشديدة المتانة، وتشغل مساحة صغيرة، لتركيبها في المنشآت ذات المساحة المحدودة والبيئات ذات المتطلبات الصعبة.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية الموصى به |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | أكبر | مجموعة من UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – قطعة إدخال لخلية التدفق لإنتاج مستحلبات نانوية فائقة الجودة
الأسئلة الشائعة حول إنتاج الوقود النانوي بالموجات فوق الصوتية
ما الوقود النانوي
يشير الوقود النانوي إلى مزيج من الوقود والجسيمات النانوية. وعند تشتيت جسيمات نانوية ذات خواص طاقية في الوقود، تتغير خواص الوقود الفيزيائية والكيميائية بفعل وظيفتها وبنيتها التشتتية والتفاعل المعقد بين انتقال الحرارة وتدفق المائع وتفاعلات الجسيمات. وبسبب التركيب غير المتجانس، تتحدد خصائص الوقود النانوي بنوع الوقود الأساسي، وكذلك بتركيب الجسيمات النانوية وحجمها وشكلها وتركيزها وخواصها الفيزيائية والكيميائية. ويمكن أن تختلف خصائص الوقود النانوي اختلافًا كبيرًا عن خصائص الوقود الأساسي.
كيف يُستخدم الديزل وقودًا؟
الديزل وقود سائل يُحرق في محركات الديزل. وفي محركات الديزل، يشتعل الوقود دون أي شرارة، وذلك بضغط مزيج الهواء الداخل ثم حقن وقود الديزل.
وقود الديزل التقليدي ناتج تقطير تجزيئي محدد لزيت الوقود النفطي. وبمعنى أوسع، يشير مصطلح الديزل أيضًا إلى أنواع وقود غير مشتقة من النفط، مثل الديزل الحيوي أو الديزل الناتج عن تحويل الكتلة الحيوية إلى سائل (BTL)، أو الغاز إلى سائل (GTL)، أو الفحم إلى سائل (CTL). وتُسمى أنواع الوقود BTL وGTL وCTL وقود الديزل الاصطناعي، ويمكن اشتقاقها من أي مادة كربونية (مثل الكتلة الحيوية والغاز الحيوي والغاز الطبيعي والفحم وغيرها). وبعد تغويز المادة الخام إلى غاز تخليقي وتنقيته، يُحوّل عبر تفاعل Fischer–Tropsch إلى ديزل اصطناعي. والديزل فائق الانخفاض في محتوى الكبريت (ULSD) هو معيار لوقود الديزل ذي المحتوى المنخفض بدرجة كبيرة من الكبريت.
ما الديزل الحيوي؟
الديزل الحيوي وقود متجدد يُنتج من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية أو الشحوم المعاد تدويرها. ويمكن استخدام الديزل الحيوي لتشغيل المركبات والمولدات العاملة بالديزل. وتتشابه خواصه الفيزيائية مع خواص الديزل النفطي، مع أنه يحترق بصورة أنظف. ويقلل الديزل الحيوي انبعاثات الهيدروكربونات غير المحترقة (UHC)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، وأكاسيد الكبريت، وجسيمات السخام – مقارنة بالانبعاثات الناتجة عن حرق الديزل التقليدي. وقد تكون انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) أعلى عند استخدام الديزل الحيوي (مقارنة بالديزل). ومع ذلك، يمكن تقليلها بتحسين توقيت حقن الوقود.
تُحسّن عملية الأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية إنتاج الديزل الحيوي بدرجة كبيرة. انقر هنا لمعرفة المزيد عن إنتاج الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية!
هل يمكن استخدام الإيثانول وقودًا؟
نعم، يمكن استخدام الإيثانول – الكحول الإيثيلي (C₂H5OH) – وقودًا. ويُستخدم وقود الإيثانول في الغالب وقودًا للمحركات – وبصفة رئيسية بوصفه إضافة وقود حيوي إلى البنزين. واليوم، يمكن تشغيل السيارات بوقود إيثانول بنسبة 100% أو بما يُسمى الوقود المرن، وهو مزيج من الإيثانول والبنزين. ويُنتج عادةً بعملية تخمير الكتلة الحيوية، مثل الذرة أو قصب السكر. ولأن وقود الإيثانول مشتق من كتلة حيوية متجددة ومستدامة، فإنه يُسمى غالبًا الإيثانول الحيوي. ويمكن للموجات فوق الصوتية عالية القدرة أن تحسّن إنتاج الإيثانول الحيوي بدرجة كبيرة. انقر هنا لمعرفة المزيد عن إنتاج الإيثانول الحيوي بالموجات فوق الصوتية!
الإيثانول هو المكوّن المؤكسج في E-diesel. ويتمثل العيب الرئيسي لـ E-diesel في عدم امتزاج الإيثانول بالديزل عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. ومع ذلك، يمكن استخدام الديزل الحيوي بنجاح بوصفه عاملًا خافضًا للتوتر السطحي محبًا للماء وللدهون لتثبيت الإيثانول والديزل. ويمكن مزج وقود الإيثانول–الديزل الحيوي–الديزل (EB-diesel) بالموجات فوق الصوتية لتكوين مستحلب دقيق أو نانوي، بحيث يكون EB-diesel مستقرًا – حتى عند درجات حرارة دون الصفر، ويوفر خواص وقود متفوقة على وقود الديزل العادي.
كيف يعمل التشتيت بالموجات فوق الصوتية في إنتاج الوقود النانوي؟
يستخدم التشتيت بالموجات فوق الصوتية التجويف الصوتي لتفكيك تكتلات الجسيمات في الوقود. وتتشكل فقاعات مجهرية وتنهار، مولّدةً قوى قص موضعية ونفاثات سائلة تفصل الجسيمات المتجمعة. وتساعد هذه العملية على توزيع الإضافات النانوية في جميع أنحاء السائل، وتدعم تطوير تركيبات قابلة للتكرار.
ما الجسيمات النانوية التي يمكن تشتيتها في الوقود باستخدام الموجات فوق الصوتية؟
تشمل المواد التي دُرست في تركيبات الوقود أكسيد السيريوم (CeO₂)، وأكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، وأكسيد الزنك (ZnO)، والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs). وتعتمد المادة المضافة المناسبة على الوقود الأساسي وهدف الأداء المقصود. ويتطلب كل مزيج اختبارًا لتحديد التركيزات المناسبة وظروف المعالجة والثبات.
ما الفرق بين مشتت الوقود النانوي والمستحلب النانوي للوقود؟
يحتوي مشتت الجسيمات النانوية على جسيمات صلبة موزعة داخل وقود سائل. ويحتوي المستحلب النانوي للوقود على قطرات صغيرة جدًا من سائل مشتت في سائل آخر، مثل قطرات الماء في الديزل. ويمكن للموجات فوق الصوتية أن تدعم كلتا العمليتين. وتتطلب التركيبات التي تحتوي على جسيمات نانوية وقطرات سائلة مشتتة تقييم ثبات الجسيمات وثبات المستحلب معًا.
هل يمنع التشتيت بالموجات فوق الصوتية ترسب الجسيمات النانوية؟
يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تقلل التكتل وتحسّن التوزيع الأولي للجسيمات، لكن الثبات طويل الأمد يعتمد أيضًا على التركيبة. وتؤثر خواص الجسيمات وتركيز المادة المضافة وتركيب الوقود وعوامل التشتيت المتوافقة في بقاء الجسيمات معلقة. وينبغي أن تحدد اختبارات التخزين المدة التي يحافظ خلالها الوقود النانوي النهائي على توزيع مقبول في ظل ظروف استخدامه المقصودة.
ما أهم معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية؟
تشمل المعلمات الرئيسية سعة الاهتزاز ومدخلات الطاقة ومدة المعالجة ودرجة الحرارة. وفي المعالجة أثناء التدفق، يُعد معدل التدفق وضغط المفاعل مهمين أيضًا. وينبغي تقييم هذه الإعدادات مع التركيبة. ويساعد توثيق الظروف التي تحقق التشتيت المطلوب على إرساء معالجة قابلة للتكرار، ويدعم توسيع النطاق لاحقًا.
هل يمكن توسيع نطاق إنتاج الوقود النانوي بالموجات فوق الصوتية من المختبر إلى المعالجة المستمرة؟
نعم. يمكن للتجارب المختبرية تحديد التركيبة وظروف المعالجة قبل تقييمها في خلية تدفق بالموجات فوق الصوتية. وفي التشغيل المستمر، يمر الوقود عبر منطقة معالجة مضبوطة. وينبغي أن يؤكد توسيع النطاق أن النظام الأكبر يحقق جودة التشتيت والثبات المطلوبين عند معدل المعالجة المقصود.
كيف أختار جهاز تشتيت بالموجات فوق الصوتية من Hielscher للوقود النانوي؟
ابدأ بتحديد الوقود الأساسي ونوع الجسيمات النانوية وتركيزها وحجم الدفعة أو معدل التدفق المطلوب وجودة التشتيت المستهدفة. وأدرج درجة حرارة التشغيل وفترة التخزين المقصودة. وتساعدنا هذه التفاصيل على التوصية بجهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية والسونوترود وتهيئة خلية التدفق المثالية لتجارب التطبيق وتخطيط الإنتاج.
المؤلفات / 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.