Превъзходни наногорива чрез ултразвукова дисперсия
Разработването на наногорива започва с ефективното им диспергиране. Наночастиците, добавени към дизелово гориво, биодизел или смесени горива, могат да повлияят на горенето, но тяхната ефективност зависи от това колко добре са разпределени в течността. Агломерацията и седиментацията затрудняват поддържането на постоянна концентрация на добавките и постигането на възпроизводими резултати. Ултразвуковата дисперсия решава този проблем, като разбива струпванията от частици и разпределя нанодобавките в цялото гориво.
Наногорива
Наногоривата се състоят от смес от основно гориво (напр. дизел, биодизел, горивни смеси) и наночастици. Тези наночастици действат като хибридни нанокатализатори, които предлагат голяма реактивна повърхност. Ултразвуковата дисперсия на нанодобавката води до значително подобряване на горивните характеристики като намалено забавяне на запалването, по-дълго поддържане на пламъка и запалване на агломерата, както и значително общо намаляване на емисиите.
Наноразмерните смеси гориво и частици превъзхождат чистото течно гориво по отношение на горивните характеристики чрез по-висока енергийна плътност, по-бързо и лесно запалване, подобрен каталитичен ефект, намалени емисии, по-бързо изпаряване и скорост на горене и подобрена ефективност на горене.
Използвайте ултразвукова обработка за нанодиспергиране на частици в горивата!
Свържете се с нашия екип, за да разгледате възможностите за ултразвукова дисперсия при комбинацията от гориво и наночастици.
7kW ултразвукова поточна система
Наногорива: ултразвукова дисперсия на наночастици в горивото
За да се избегне утаяването на наночастиците в резервоара за гориво, те трябва да бъдат разпръснати по специален начин. Ултразвуковото разпръскване спомага за вграждането на наночастици като оксид на церий, оксид на алуминий и въглеродни нанотръби в дизелово гориво, биодизел и горивни смеси.
Чрез акустична кавитация – образуването и разпадането на микроскопични мехурчета – Ултразвуковата обработка генерира интензивни локални срязващи сили, които разбиват агломератите от частици и разпределят добавките в течността. По този начин по-голяма част от повърхността на частиците влиза в контакт с околното гориво, което подпомага оценката на каталитичните и свързаните с горенето предимства.
Ултразвукът оказва своето диспергиращо действие директно в течността без добавяне на смилащи топчета, което елиминира необходимостта от последващо отделяне на смилащите елементи. Ултразвуковите апарати на Hielscher поддържат както партидно производство, така и непрекъсната линейна обработка, което прави тази техника подходяща както за лабораторни изследвания, така и за промишлено производство.
Списъкът по-долу ви дава преглед на вече тестваните наноматериали, диспергирани в горива:
- CNT – Въглеродни нанотръби
- Аг – Сребро
- Ал – алуминий
- Ал2O3 – алуминиев оксид
- АлКуОx – Алуминиеви медни оксиди
- b – бор
- С – калций
- CaCO3 – калциев карбонат
- fe – желязо
- Cu – Мед
- CuO – меден оксид
- Ce – церий
- Главен изпълнителен директор2 – цериев оксид
- (Главен изпълнителен директор2)· (ZrO2) – цериев циркониев оксид
- СЪВМЕСТНО – кобалт
- Мг – магнезий
- Мн – манган
- ТиО2 – титанов диоксид
- ZnO – цинков оксид
Наномащабираният, ултразвуково монодиспергиран цериев оксид предлага висока каталитична активност поради високото си съотношение повърхност/обем, което води до подобрена горивна ефективност и намалени емисии.
„Aqua-Fuels“: горива под формата на наноразмерни емулсии, получени чрез ултразвукова обработка
„Аква-горивата“ са емулсии от типа „вода в гориво“, при които фини водни капчици са разпределени в цялата непрекъсната фаза на горивото, като например дизеловото гориво. Ултразвуковите апарати на Hielscher генерират интензивна акустична кавитация, която разбива по-големите капчици на по-малки, което позволява получаването на емулсии с капчици в наномащаб при подходящи условия на формулиране и обработка. Регулируемата амплитуда на ултразвука, контролираният приток на енергия и управлението на температурата спомагат за оптимизиране на размера на капките и възпроизводимостта, докато съвместимите емулгатори поддържат стабилността по време на съхранение и обработка.
Кликнете тук, за да научите повече за ултразвуково приготвените аквагорива!
Ултразвуково смесване на горива
Технологията за ултразвукова емулгиране се използва за производство на стабилни смеси от етанол в декан, етанол в дизел или дизел-биодизел-етанол/биоетанол. Такива смеси са идеално базово гориво, което може да бъде подобрено на втора стъпка чрез диспергиране на наночастици в горивото.
Ултразвуково производство на емулсионни горива
Промишлени ултразвукови апарати за диспергиране и емулгиране на наногорива
Ултразвуковите апарати на Hielscher съчетават ефективна деагломерация на наночастици с прецизен контрол на процеса за разработване и производство на наногорива. Интензивната ултразвукова кавитация спомага за разбиването на клъстерите от частици и разпределянето на добавки като метални оксиди и въглеродни нанотръби в дизелово гориво, биодизел и смесени горива. Регулируемата амплитуда и мониторингът на вложената енергия и температурата подпомагат възпроизводимостта на процеса и оптимизацията на формулата. С лабораторни уреди и промишлени системи, конфигурирани за работа на партиди или в непрекъснат режим, Hielscher осигурява практичен път от първоначалните изпитания до по-големи производствени обеми. Автоматичното записване на данните от процеса при цифровите промишлени модели помага на екипите да документират успешните условия и да поддържат постоянна обработка при нарастване на производителността.
Разширяване на производството и надеждно производство
След като формулата отговаря на целевите показатели за качество, ултразвуковата обработка с променлив поток предоставя възможност за постигане на по-големи производствени обеми. Горивото преминава през зона за ултразвукова обработка при контролирани работни условия, като в зависимост от желания резултат се избира обработка с еднократно преминаване или с рециркулация. За избор на оборудване е необходимо да се посочат базовото гориво, видът и концентрацията на добавката, целевото качество на дисперсията, необходимата производителност и работната температура. Тези данни позволяват на Hielscher да препоръча процесор, сонотрод и конфигурация на проточната клетка за провеждане на технологични изпитания и последващо мащабиране на процеса.
Hielscher предлага рентабилни, изключително здрави ултразвукови процесори с малък отпечатък за инсталиране в инсталации с ограничено пространство и взискателна среда.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчан соникатор |
|---|---|---|
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000hdT |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000hdT |
Многофазен кавитатор – Вложка за проточна клетка за получаване на висококачествени наноемулсии
Често задавани въпроси относно производството на наногориво чрез ултразвук
Какво представляват нано-горивата?
Наногоривата се отнасят до смес от гориво и наночастици. Чрез диспергирането на наноенергийните частици в горивото, физико-химичните свойства на горивото се променят от тяхната функция, дисперсионната им структура и сложното взаимодействие на топлообмена, потока на течността и взаимодействията на частиците. Поради хетерогенния състав, характеристиките на наногоривата се определят от вида на основното гориво, както и от състава, размера, формата, концентрацията и физичните и химичните свойства на наночастиците. Характеристиките на наногоривата могат да се различават значително от характеристиките на базовото гориво.
Как се използва дизелът като гориво?
Дизелът е течно гориво, което се изгаря в дизеловите двигатели. При дизеловите двигатели горивото се запалва без искра, а чрез компресиране на входящата въздушна смес и след това инжектиране на дизеловото гориво.
Обикновеното дизелово гориво е специфичен фракционен дестилат от нефтено гориво. В по-широк смисъл терминът „дизел“ се отнася и до горива, които не са получени от нефт, например биодизел, дизел от биомаса (BTL), дизел от газ (GTL) или дизел от въглища (CTL). BTL, GTL и CTL са т.нар. синтетични дизелови горива, които могат да се получат от всякакъв въглероден материал (например биомаса, биогаз, природен газ, въглища и др.). След газификация на суровината в синтетичен газ, последвана от пречистване, тя се превръща чрез реакцията на Фишер–Тропш в синтетичен дизел. Дизелът с ултраниско съдържание на сяра (ULSD) е стандарт за дизелово гориво, което съдържа значително по-ниско съдържание на сяра.
Какво е биодизел?
Биодизелът е възобновяемо гориво, което се произвежда от растителни масла, животински мазнини или рециклирани греси. Биодизелът може да се използва за работа в дизелови превозни средства и генератори. Физичните му свойства са подобни на тези на петролния дизел, въпреки че гори по-чисто. Биодизелът намалява емисиите на неизгорели въглеводороди (UHC), въглероден диоксид (CO2), въглероден оксид (CO), серни оксиди и частици сажди – в сравнение с емисиите, произведени от изгарянето на конвенционален дизел. Емисиите на азотни оксиди (NOx) могат да бъдат по-високи за биодизела (в сравнение с дизела). Това обаче може да бъде намалено чрез оптимизиране на времето за впръскване на гориво.
Производството на биодизел се подобрява значително чрез ултразвукова трансестерификация. Кликнете тук, за да научите повече за производството на биодизел чрез ултразвук!
Може ли етанолът да се използва като гориво?
Да, етанол – етилов алкохол (C₂H5О, Боже! – могат да се използват като гориво. Горивата на базата на етанол се използват предимно като моторни горива – предимно като добавка към биогоривото в бензина. Днес автомобилите могат да се задвижват с 100% етанолово гориво или с т.нар. „флекс-горива“, които представляват смес от етанол и бензин. Обикновено се произвежда чрез процес на ферментация на биомаса, например царевица или захарна тръстика. Тъй като етаноловото гориво се получава от възобновяема, устойчива биомаса, то често се нарича биоетанол. Мощният ултразвук може значително да подобри производството на биоетанол. Кликнете тук, за да научите повече за производството на биоетанол чрез ултразвук!
Етанолът е оксигенатът в E-дизела. Основният недостатък на E-diesel е несмесимостта на етанола в дизела в широк диапазон от температури. Въпреки това, биодизелът може да се използва успешно като амфифилно повърхностно активно вещество за стабилизиране на етанол и дизел. Етанол-биодизел-дизел (EB-дизел) гориво може да се смесва ултразвуково до микро- или нано-емулсия, така че EB-дизелът да е стабилен – дори при минусови температури и предлага превъзходни горивни свойства в сравнение с обикновеното дизелово гориво.
Как функционира ултразвуковата дисперсия при производството на наногориво?
При ултразвуковата дисперсия се използва акустична кавитация за разбиване на агломератите от частици в горивото. Образуват се и се разрушават микроскопични мехурчета, като по този начин се генерират локални срязващи сили и струи течност, които разделят струпаните частици. Този процес спомага за разпределянето на нанодобавките в течността и подпомага разработването на формулировки с възпроизводими резултати.
Кои наночастици могат да бъдат диспергирани в горивата с помощта на ултразвук?
Сред изследваните материали за състава на горивата са оксидът на церий (CeO₂), оксидът на алуминий (Al₂O₃), диоксидът на титан (TiO₂), оксидът на цинк (ZnO) и въглеродните нанотръби (CNTs). Подходящата добавка зависи от базовото гориво и желаните експлоатационни характеристики. Всяка комбинация изисква тестване, за да се определят подходящите концентрации, условия на обработка и стабилност.
Каква е разликата между дисперсия на наногориво и наноемулсия на гориво?
Дисперсията от наночастици съдържа твърди частици, разпределени в течно гориво. Наноемулсията от гориво съдържа много малки капчици от една течност, диспергирани в друга, като например капчици вода в дизелово гориво. Ултразвукът може да подпомогне и двата процеса. Формулировките, съдържащи наночастици и диспергирани течни капчици, изискват оценка както на стабилността на частиците, така и на стабилността на емулсията.
Предотвратява ли ултразвуковата дисперсия утаяването на наночастиците?
Ултразвуковата обработка може да намали агломерацията и да подобри първоначалното разпределение на частиците, но дълготрайната стабилност зависи и от състава на продукта. Свойствата на частиците, концентрацията на добавките, съставът на горивото и съвместимите диспергатори оказват влияние върху това дали частиците остават във въздушната суспензия. Изпитванията при съхранение трябва да установят колко дълго готовото наногориво запазва приемливо разпределение при предвидените условия.
Кои параметри на ултразвуковата обработка са най-важни?
Ключовите параметри включват амплитуда, вложената енергия, продължителността на обработката и температурата. При обработката с непрекъснат поток значение имат също дебитът и налягането в реактора. Тези настройки трябва да се оценяват заедно с формулата. Документирането на условията, при които се получава желаната дисперсия, спомага за установяването на повторяем процес и подпомага последващото мащабиране.
Може ли производството на наногориво чрез ултразвук да бъде пренесено от лабораторни условия към непрекъсната преработка?
Да. Лабораторните изпитвания позволяват да се определят съставът и условията на обработка преди оценката в ултразвукова променлива клетка. При непрекъсната работа горивото преминава през контролирана зона за обработка. Мащабирането трябва да потвърди, че по-голямата система постига необходимото качество на дисперсията и стабилност при предвидената производителност.
Как да избера ултразвуков диспергатор на Hielscher за наногорива?
Започнете с избора на базовото гориво, типа и концентрацията на наночастиците, необходимия обем на партидата или дебита, както и желаното качество на дисперсията. Посочете работната температура и предвидения срок на съхранение. Тези подробности ни помагат да ви препоръчаме идеалната конфигурация на ултразвуковия апарат, сонотрода и поточната клетка за провеждане на изпитания на приложението и планиране на производството.
Литература / Препратки
- 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.